Xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công thép hợp kim trên máy phay CNC

việc mô hình hóa quá trình tham gia cắt gọt trong các điều kiện công nghệ mới đã, đang và sẽ phải tiếp tục nghiên cứu Các mô hình các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN QUÊ

XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU KHI GIA CÔNG THÉP HỢP KIM

TRÊN MÁY PHAY CNC CHUYÊN NGÀNH : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TS NGUYỄN TRỌNG HIẾU

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sĩ: “Xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công thép hợp kim trên máy phay CNC ” được hoàn thành bởi tác giả Nguyễn Văn Quê, học viên cao

lớp Cao học 11BCTM.KH Chế tạo máy, khóa 20011, Viện Cơ khí-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, kết quả nêu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn

TS.Nguyễn Trọng Hiếu Những gợi ý và giúp đỡ lựa chọn đề tài 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 là cơ sở để tôi hoàn thành hoàn thành luận văn này Bên cạnh đó thầy cũng đã đưa ra những đánh giá tổng kết sâu sắc và gợi mở hướng phát triển của đề tài nghiên cứu trong tương lai cho tôi

Tôi cũng chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy tất cả các môn học của chương trình cao học Các thầy, cô đã cung cấp cho tôi tất cả những kiến thức cần thiết để làm nên tảng cho tôi có thể hoàn thành tốt nội dung của luận văn tốt nghiệp này

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ rất tận tình của

TS.Nguyễn Trọng Hiếu Và các thầy, cô trong bộ môn Công nghệ Chế tạo

máy-Viện Cơ khí- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong những ý kiến đóng góp, phê bình của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, Tháng 08 năm 2013

Nguyễn Văn Quê

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 9

MỞ ĐẦU 10

Mục dích của đề tài 11

Đối tượng nghiên cứu 11

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 12

Những đóng góp của đề tài 13

Nội dung luận văn: 15

CHƯƠNG 1 16

TỔNG QUAN VỀ PHAY VÀ MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY 16

1.1 TỔNG QUAN VỀ PHAY 16

1.1.1 Định nghĩa về phay 16

1.1.2 Các dạng phay chủ yếu 16

1.1.3 Đặc điểm gia công cắt gọt bằng phay 17

1.2 CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC 18

1.2.1 Các dạng điều khiển của máy phay CNC 18

1.2.2 Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC 21

1.2.3 Phương pháp thực hiện nguyên công phay trên máy phay CNC 22

1.2.4 Lập trình gia công trên máy phay CNC 27

1.3 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY 29

1.3.1 Phân tích các nhân tố có trong mô hình 31

1.3.2 Ý nghĩa của các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quátrình cắt khi

phay 31

1.3.3 Nội dung của nghiên cứu mô hình hóa quá trình cắt khi phay 35

1.4 GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 39

Đối tượng nghiên cứu 39

1.4.2 Nội dung nghiên cứu 40

KẾT LUẬN CHƯƠNG I 41

CHƯƠNG II 43

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN KHI PHAY BẰNG DAO PHAY NGÓN SỬ DỤNG MẢNH CẮT XOAY 43

2.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN KHI PHAY BẰNG DAO PHAY NGÓN SỬ DỤNG MẢNH CẮT XOAY 43

2.1.1 Lực cắt 43

2.1.2 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công 48

2.1.3 Lượng mòn dao 51

2.1.4 Tuổi bền dụng cụ 53

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN 54

2.2.1 Các phương pháp xác định lực cắt 54

2.2.2 Phương pháp đo độ nhám bề mặt 55

2.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 57

2.3.1 Xây dựng mô hình các đại lượng đặc trưng cơ bản phụ thuộc vào thời gian gia công 58

2.3.2 Xây dựng mô hình tổng quát của các đại lượng Y phụ thuộc vào các thông số chế độ cắt 60

2.3.3 Xây dựng phương pháp xác định chính xác thời điểm thay dao 61

2.3.4 Xây dựng các tín hiệu dể điều khiển công nghệ cụ thể, ta xác định được: 64

2.3.5 Xây dựng các mối quan hệ qua lại giữa các đại lượng Y 65

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG II 66

CHƯƠNG III 67

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 67

3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 67

3.2 MÔ HINH THÍ NGHIỆM 67

3.2.1 Các thông số công nghệ cơ bản của hệ thống thí nghiệm 67

3.2.2 Thiết bị đo 69

3.3 KẾT QUẢ ĐO 71

3.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC 72

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 76

CHƯƠNG 4 77

TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI 77

4.1 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI 77

4.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 77

4.2.1 Bảng trực giao 77

4.2.2 Tỷ số S/N 80

4.2.3 Phân tích phương sai ANOVA 83

4.3 CÁC BƯỚC ÁP DỤNG TAGUCHI 90

4.4 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI ĐỂ TỐI ƯU CHẾ ĐỘ CẮT 91

4.4.1 Xác định các chức năng chính, các nhân tố tác động 91

4.4.2 Xác định các hệ số nhiễu, kiểm tra các điều kiện và các đặc tính chất lượng yêu cầu 91

4.4.3 Xác định các yếu tố cần tối ưu hóa 91 4.4.4 Xác định các yếu tố điều khiển và các mức của chúng 91 4.4.5 Lựa chọn bảng trực giao và ma trận thí nghiệm 91 4.4.6 Phân tích dữ liệu: Dự đoán các giá trị tối ưu của tác động điều khiển và giá trị của kết quả 92

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 96TÀI LIỆU THAM KHẢO: 97

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

NC (Number Control) - Điều khiển số

CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có trợ giúp của máy tính CAD (Computer Aided Design)- Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính

1D, 2D, 3D – Điều khiển 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Các dạng dao phay chủ yếu 17

Hình 1 2 Điều khiển điểm-điểm 18

Hình 1 3 điều khiển đường thẳng 19

Hình 1 4 Điều khiển theo contour 20

Hình 1 5 Vùng gia công khi phay 23

Hình 1 6 Quỹ đạo của dao 24

Hình 1 7 Sơ đồ ăn dao vào chi tiết 26

Hình 1 8 Bù chiều dài dao khi phay 29

Hình 1 9 Mô hình quá trình phay 30

Hình 2 1 Lực cắt khi phay 43

Hình 2 3 Kích thước hình học mảnh cắt 45

Hình 2 2 Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón sử dụng mảnh cắt xoay 45

Hình 2 4 Diện tính cắt thực của tiết diện lớp kim loại bị cắt khi r =0 49

Hình 2 5 Diện tích cắt thực của tiết diện lớp kim loại bị cắt khi r≠0 50

Hình 2 6Các dạng mài mòn dụng cụ cắt 52

Hình 2 7 Mối quan hệ giữa các đại lượng Y với thời gian gia công 59

Hình 2 8 Mối quan hệ giữ lực cắt và thời gian gia công 62

Hình 2 9 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với thời gian gia công 63

Hình 2 10 Sơ đồ xác định tuổi bền T bằng cách sử dụng đồng thời nhiều chỉ tiêu 63

Hình 3 1 Hình ảnh và thông số kỹ thuật mảnh cắt xoay 68

Hình 3 2 Thông số kỹ thuật của phôi 69

Hình 3 3 Máy đo chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt 70

Hình 3 4 Sơ đồ đo độ nhám bề mặt 70

Hình 4 1 Đồ thị tác động của v, s, t đến độ nhám bề mặt 95

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1Dữ liệu đầu vào v,s, t 71

Bảng 3 2 Kết quả xử lý số liệu 3 lần đo Rz 72

Bảng 3 3 kết quả tính Rz bằng phương pháp hồi quy 76

Bảng 4 1: Bảng trực giao 3 4(2 ) OA 78

Bảng 4 2 Bảng trực giaoOA8(2 )7 78

Bảng 4 3 Xác định hệ số a 80

Bảng 4 4 Tính hệ số S/N 83

Bảng 4 5 Dữ liệu chế độ cắt ban đầu 91

Bảng 4 6 Kết quả tính S/N và độ lệch 93

MỞ ĐẦU

Ngày nay sự phát triển khoa học rất mạnh mẽ và không ngừng trong tất cả mọi lĩnh vực của cuộc sống Một sản phẩm không chỉ đơn thuần hàm chứa trong nó một đặc tính cụ thể nào đó mà là sự tổng hòa của rất nhiều yếu tố (chất lượng, mẫu

mã, giá thành ) Cho đến nay, sản phẩm cơ khí gia công bằng cắt gọt vẫn chiếm tỷ

lệ cao nhất trong các phương pháp gia công kim loại Gia công cắt gọt kim loại có khả năng đáp ứng được độ chính xác kích thước, độ phước tạp về hình dạng và chất lượng bề mặt chi tiết gia công, nó không những tạo ra sản phẩm trực tiếp mà còn tạo

ra những công cụ sản xuất, máy móc thiết bị Chính vì vậy ngoài việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến có sự trợ giúp của máy tính được tích hợp trong máy công cụ chính xác điều khiển theo chương trình số (NC & CNC), dụng cụ gia công có độ bền cao, và vật liệu gia công mới luôn được phát triển mạnh mẽ là đòi hỏi khách quan của nền sản xuất công nghiệp hiện đại

Do các điều kiện trong công nghệ gia công cắt gọt kim loại luôn thay đổi theo hướng tích cực nên các mô hình của quá trình cắt gọt kim loại, các thông số chế độ cắt được thu thập từ những năm 1970 trong các tài liệu kinh điển không còn phù hợp việc mô hình hóa quá trình tham gia cắt gọt trong các điều kiện công nghệ mới đã, đang và sẽ phải tiếp tục nghiên cứu

Các mô hình các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt như: lực cắt, nhiệt cắt, rung động, độ nhấp nhô tế vị bề mặt, lượng mòn dao… khi gia công trên các máy CNC được nhập từ các nước phát triển là các bản quyền của các hãng sản xuất Do vậy chúng ta đã và đang gặp những khó khăn trong việc khai thác

sử dụng có hiệu quả máy CNC, các dụng cụ gia công đắt tiền ở 2 khía cạnh:

- Không có các cơ sở dữ liệu để xây dựng điều kiện biên, miền giới hạn giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công trong điều kiện cụ thể của chúng ta

- Nếu chúng ta có tiền để mua bản quyền thì các mô hình mua được thường lạc hậu, không phù hợp hoàn toàn với điều kiện sản xuất tại Việt Nam nên hiệu quả đầu

tư không cao

Hiện nay, trên thế giới xuất hiện rất nhiều phương pháp để tối ưu hóa quá trình thiết kế, gia công truyền thống như Phương pháp thực nghiệm, phần tử hữu hạn, phần mềm MINITAB, ANSYS, Topology, Taguchi…

Qua thực tế việc ứng dụng các phương pháp tối ưu này thì phương pháp Taguchi đã và đang được rất nhiều các công ty, viện nghiên cứu trên thế giới sử dụng và đặc biệt ở Nhật bản Ra đời năm 1980 bởi giáo sư Genichi Taguchi là một phương pháp tối ưu hóa thực nghiệm, ngay say đó phương pháp được ứng dụng rất rộng rãi ở nhật bản và trên toàn thế giới, đạt được kết quả cao trong sản xuất và kinh doanh bằng cách làm những yêu cầu khắt khe nhất của khách hàng Không những vậy phương pháp còn giúp tiết kiệm tiền bạc, thời gian để thiết kế ra một sản phẩm

Nhằm giúp giải quyết các vấn đề nêu trên tác giả sẽ đi sâu vào bài toán:

“Xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công thép hợp kim trên máy phay CNC ” bằng phương pháp Taguchi

Đối tượng nghiên cứu

Mô hình hóa quá trình cắt khi phay trên máy CNC trong điều kiện gia công

cụ thể của phòng thí nghiệm CNC viện cơ khí đại Học Bách Khoa Hà Nội

Máy phay CNC 4 trục Mikron VCP 600, Hãng sản xuất GF

AgieCharmilles-Thụy Sĩ

Dao phay ngón sử dụng mảnh cắt SEMT13T3AGSN-JM VP15TF phủ VP15TF của hãng MITSUBISHI - Nhật Bản)

Vật liệu gia công thép hợp kim S355J0

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trước hết cần thu thập phân tích, đánh giá về lý thuyết ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến các thông số đầu ra trong điều kiện sản xuất cụ thể sau đó sử dụng phương pháp Sử dụng phương pháp tối ưu hóa Taguchi rồi dùng thực nghiệm kiểm chứng

Nghiên cứu bằng thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm Xây dựng hệ thống thí nghiệm ổn định có sử dụng các thiết bị đo hiện đại kết nối với hệ thống máy tính để có thể tự động hóa quá trình thu thập và lưu trữ các kết quả đó tạo điều kiện cho quá trình xử lý số liệu bằng các phần tiện ích nhằm đạt được độ chính xác và độ tin cậy cao

Các kết quả nghiên cứu được áp dụng cho thực tế sản xuất qua đó đánh giá được hiệu quả của vấn đề nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa thực tiễn:

Khả năng ứng dụng thực tế : kết quả của việc xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công thép hợp kim là điểm khởi đầu cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu về chế độ cắt dưới dạng các phần mềm hoặc sổ tay tra cứu phục vụ sản xuất

Xây dựng các tín hiệu điều khiển gia công: lực cắt xuất hiện và được đo trong quá trình cắt có thể được dùng làm tín hiệu điều khiển thích nghi quá trình gia công nhằm đảm bảo tận dụng công suất cắt lớn nhất, đảm bảo an toàn cho quá trình gia công trong điều kiện gia công không ổn định

Thông qua mô hình mòn dao theo thời gian gia công cho phép tính toán xác định thời điểm điều chỉnh lại dao nhằm tận dụng hết khả năng cắt của dụng cụ, đảm bảo độ chính xác trong quá trình gia công, có thể nâng cao độ chính xác kích thước chi tiết gia công

Địa chỉ ứng dụng : Xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công thép hợp kim các

mô hình cắt khi phay trên máy phay CNC được ứng dụng hầu hết cho gia công các chi tiết phưc tạp, khuôn mẫu chính xác

Những đóng góp của đề tài

Về lý thuyết :

Xây dựng được phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng như : Lực cắt, độ nhám bề mặt, lượng mòn dao với các thông số chế độ như : Vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và với thời gian gia công dưới dạng các biểu thức toán học Thông qua các mô hình này cho phép xây dựng miền giói hạn của các thông số công nghệ ứng vói từng điều kiện gia công cụ thể tại thời điểm bất

kỳ của quá trình sản xuất, đây chính là nhiệm vụ chính trong việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công

Xây dựng được phương pháp xác định tuổi bền dao phay đồng thời bầng nhiều chỉ tiêu Trong điều kiện gia công cụ thể ta có thể lựa chọn được giá trị tuổi bền hợp lý, góp phần tận dụng hết khả năng cắt của dụng cụ, tiết kiệm chi phí

Xây dựng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm với hệ thống thí nghiệm và phương pháp xử lý số liệu hiện đại, chính xác và tin cậy trên cơ sở sử dụng tin học như một công cụ hữu hiệu khi nghiên cứu phương pháp nghiên cứu này có thể dược ứng dụng cho công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học

Xây dựng được phần mềm nối ghép các thiết bị đo và với máy tính cho phép nhận được các kết quả đo trung thực khi thí nghiệm xác định đông thời nhiều thông

số tại cung một thời điểm và phần mền tính toán giải bài toán tối ưu xác định chế độ cắt hợp lý khi phay trên máy phay CNC

Về thực tiễn :

Việc sử dụng các thuật toán, phần mềm tính toán xác định chế độ cắt tối ưu cho phép xây dựng cơ sở dữ liệu chế đọ cắt kèm theo các máy CNC mới sản xuất cũng như các máy CNC (được nhập ngoại) đang sử dụng trong các diều kiện của thực tế sản xuất hiện tại nhằm góp phần vào việc tự động hóa khâu chuẩn bị sản xuát

Tìm được các tín hiệu điều khiển thích nghi khi phay trên máy phay CNC nhằm đảm bảo quá trình gia công an toàn, tận dụng hết công suất cắt gọt của hệ

thống thiết bị và đảm bảo được độ chính xác gia công yêu cầu

Nội dung luận văn:

Toàn bộ nội dung chính của luận văn được chia làm 4 chương và phần kết luận chung :

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về phay và mô hình hóa quá trình cắt khi phay

Chương 2 Nghiên cứu các thông số đặc trưng cơ bản khi phay bằng dao phay sử dụng mảnh cắt xoay

Chương 3 Xây dựng hệ thống thí nghiệm

Chương 4 Phương pháp Taguchi để xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công thép hợp kim trên máy phay CNC

Kết luận chung và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo

Tài liệu tham khảo.phụ lục I, II, III, IV

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trọng Hiếu đã tận tâm truyền đạt

kiến thức và có những chỉ dẫn quý báu giúp tôi hoàn thành bản luận văn này Bên cạnh đó, tôi xin cảm ơn ban lãnh đạo, các thầy cô của trung tâm thí nghiệm bộ môn công nghệ chế tạo máy – khoa cơ khí – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng các đồng nghiệp đã hợp tác đầy hiệu quả giúp tôi nghiên cứu đề tài này Trong bản luận

án chắc hẳn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong cấc thầy, cô và các bạn đồng nghiệp góp ý, bổ sung để luận án này đạt được kết quả cao hơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHAY VÀ MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY 1.1 TỔNG QUAN VỀ PHAY

1.1.1 Định nghĩa về phay

Phay là phương pháp gia công cắt gọt bằn dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định được dung phổ biến trong gia công cắt gọt kim loại Quá trình cắt khi phay là không liên tục do dao phay thông thường có nhiều lưỡi nên quá trình cắt được tiến hành lần lượt theo từng lưỡi gây nên các va đập trong quá trình gia công (10), (16)

Độ chính xác đạt được bằng phương pháp phay không cao hơn cấp 4 +3 Phay có khả năng thay thế hoàn toàn phương pháp bào trong sản xuất hàng loạt

1.1.2 Các dạng phay chủ yếu

Bằng phương pháp phay, người ta có thể gia công mặt phẳng, mặt định hình phức tạp , rãnh then, cắt đứt, gia công trục tròn xoay, trục then hoa, cắt ren, bánh răng…

Dao phay trụ răng xoắn (hình 1.1a)

Dao phay mặt đầu (hình 1.1b)

Dao phay đĩa (hình 1.1c)

Dao phay đĩa để cắt đứt, (hình 1.1d)

Dao phay ngón (hình 1.1e)

Dao phay góc (hình 1.1g)

Dao phay định hình (hình 1.1h)

ó rất nhiểu các kiểu dao phay khác nhau (hình 1.1 (10), (16), (66)

Hình 1 1 Các dạng dao phay chủ yếu 1.1.3 Đặc điểm gia công cắt gọt bằng phay

Gia công cắt gọt bằng phay có đặc điểm như sau:

Do có một số lưỡi cùng tham gia cắt nên năng suất cao hơn gia công bằng bào nhiều lần và trong một số trường hợp cụ thể bằng chuốt lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lượng thân dao lớn nên điều khiển truyền nhiệt tốt do vậy, dao lâu mòn hơn và có thể gia công trong các điều kiện cắt gọt khó khăn

Diện tích cắt khi phay thay đổi, do vậy lực cắt thay đổi gây ra rung động trong quá trình cắt

Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khả năng tồn tại lẹo dao ít Tuy nhiên hiện tượng va đập trong quá trình cắt cũng là nhân tố làm giảm độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết gia công

Ngoài các hình thức mòn dao tương tự như nguyên công tiện, khi phay xuất hiện hiện tượng vỡ dao do va đập

1.2 CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC

1.2.1 Các dạng điều khiển của máy phay CNC

Cũng như các máy công cụ điều khiển số khác, máy phay CNC có khả năng gia công được các bề mặt khác nhau như các lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình vv…

do đó các dạng điều khiển của máy cũng được chia ra thành: điều khiển điểm – điểm điều khiển đường thẳng và điều khiển biên dạng (contour)

1.2.1.1 Điều khiển điểm – điểm

Điều khiển điểm-điểm (hay điều khiên theo vị trí) được dùng để gia công các

lỗ bằng các phương pháp khoan, khoét, doa và cắt ren lỗ chi tiết gia công được gá

cố định trên bàn máy, dụng cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các điểm đã lập trình Trong hành trình này, dao không cắt vào chi tiết Khi đạt tới các điểm đích, quá trình gia công được thực hiện theo chế độ cắt đã được lập trình (hình 1.2)

Hình 1 2 Điều khiển điểm-điểm

1.2.1.2 Điều khiển đường thẳng

Điều khiển đường thẳng là dạng điều khiển thường được dùng khi gia công các rãnh, mặt phẳng, mặt bậc,…trong các nguyên công phay Quỹ đạo chuyển động của dao khi cắt gọi là đường thẳng song song với một trong các trục tọa độ của máy

Hình 1 3 điều khiển đường thẳng 1.2.1.3 Điều khiển biên dạng

Điều khiển theo biên dạng (theo contour) là dạng điều khiển nhờ các chuyển động nội suy đồng thời của các bàn trượt máy theo 2 hoặc nhiều trục và mối quan

hệ giữa các chuyển động của các trục này là một hàm số trong mặt phẳng hoặc có thể trong không gian,

Tùy theo số trục được điều khiển đồng thời khi gia công người ta phân biệt : điều khiển contour 2D, điều khiển contour 2 ½ D và điều khiển contour 3D (hình 1.4)

Hình 1 4 Điều khiển theo contour

a Điều khiển contour 2D

Điều khiển contour 2D cho phép thực hiện nội suy chạy dao theo hai trục đông thời trong một mặt phẳng gia công, ví dụ trong mặt phẳng XY (hình1.4a) Trục thứ ba Z được cố định Có thể hiểu rõ hơn khi trên máy phay CNC có 3 trục :

2 trục được sử dụng để phay contour, còn trục thứ ba Z được cố định

b Điều khiển contour

Điều khiển contour .cho phép nội suy lượng chạy dao đồng thời theo

hai trục nào đó để gia công bề mặt trong một mặt phẳng nhất định Trên máy CNC

có ba trục X, Y, Z ta sẽ điều khiển đông thời X, Y hoặc Y, Z (hình 1.4b) Trên các

máy phay CNC điều này có nghĩa là chiều sâu cắt có thể được thực hiện theo bất kỳ

1 trục nào đó trong 3 trục, còn 2 trục kia để phay contour

c Điều khiển contour 3D

Điều khiển contour 3D cho phép nội suy đồng thời chạy dao theo cả ba trục X,Y,Z (cả ba trục chuyển động hòa hợp với nhau hay có quan hệ ràng buộc hàm số) (hình 1.4c) điều khiển contour 3D được ứng dụng gia công bề mặt không gian của các khuôn mẫu, gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp Như vậy vai trò của các trục

có thể hoán đổi cho nhau

1.2.2 Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC

Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC, được chia làm các bước, nhưng các bước ở đây lại phải chia ra các lớp và mỗi lớp cắt được thực hiện sau quỹ đạo dịch chuyển của dụng cụ cắt

Chương trình điều khiển là tập hợp tất cả các lệnh dịch chuyển và các điều khiển công nghệ do bộ điều khiển của máy cung cấp

Lập chương trình điều khiển cho máy CNC bao gồm 3 giai đoạn sau đay:

1.2.2.1 Lập tiến trình công nghệ

Nhiệm vụ của lập tiến trình bao gồm: Đánh giá khả năng gia công chi tiết trên máy

CNC theo kết cấu công nghệ và theo điều kiện sản xuất

Chọn phôi, quy trình công nghệ, dụng cụ cắt, đồ gá và cấu trúc các nguyên công Nghiên cứu tính công nghệ của chi tiết và tiêu chuẩn hóa các thông số như chuẩn kích thước hoặc bán kính

Xác định yêu cầu về lượng dư và kích thước chính đối với các mặt chuẩn

Lập tiến trình gia công chi tiết (phân các bề mặt theo loại để chọn máy gia công) Tính toán và lựa chọn phương pháp gá dặt và đồ gá cần thiết

Xác định dụng cụ cắt và chọn chúng theo từng loại

1.2.2.2 Thiết kế nguyên công

Nhiệm vụ của thết kế nguyên công bao gồm:

Xác định nội dung nguyên công, chia nguyên công ra các bước và các vị trí, cụ thể hóa phương pháp kẹp chặt chi tiết

Chia ra các lớp cắt, chọn dụng cụ cắt, chuẩn bị phương pháp điều chỉnh máy

và điều chỉnh dao

1.2.2.3 Lập trình gia công

Lập trình gia công bao gồm các nội dung sau đây:

Tính toán các quỹ đạo chuyển động của dao sau khi xác định tọa độ của các điểm Lập trình và ghi vào bộ nhớ của bộ điều khiển máy

Kiểm tra chương trình, chạy thử và gia công thử chi tiết

1.2.3 Phương pháp thực hiện nguyên công phay trên máy phay CNC

- Vùng gia công nửa hở (hình 1.5d)

Đối với vùng gia công này thì dao bị hạn chế khi dịch chuyển dọc hoặc trong mặt phẳng vuông góc với trục của nó

- Vùng gia công kín (hình 1.5e)

Trong trường hợp này thì dao bị hạn chế theo tất cả các phương khi có dịch cuyển

- Vùng gia công tổ hợp (hình 1.5f)

Vùng gia công được tạo thành từ các vùng gia công trên

-

Hình 1 5 Vùng gia công khi phay 1.2.3.2 Lượng dư phay

Lượng dư phay có thể xác định theo bảng hoặc bằng phương pháp tính toán Khi xác định lượng dư gia công tinh cần tính đến quy luật cắt khi phay

1.2.3.3 Sơ đồ các bước khi phay

a Qũy đạo của dao

Khi thực hiện nguyên công phay trên máy CNC người ta có thể áp dụng các phương pháp dịch chuyển của dao sau đây (hình 1.6 [7])

Hình 1 6 Quỹ đạo của dao

Dịch chuyển theo quỹ đạo ziczac (hình 1.6 a,b,c)

Hiện nay, sơ đồ này đang được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, cách dịch chuyển có nhược điểm chính là tính chất của quá trình phay thay đổi (lúc phay thuận lúc phay nghịch) dẫn đến lực cắt thay đổi ảnh hưởng xấu đến độ chính xác và chất lượng bề mặt

Sơ đồ chạy ziczac có 3 loại: không ăn dao dọc theo contour (hình 1.6a); ăn dao dọc theo contour ở bước cuối cùng (hình 1.6b) và bước đầu tiên là ăn dao sơ bộ dọc theo contour chi tiết (hình 1.6c) Sơ đồ trên hình 1.6c tạo điều kiện thuận lợi cho việc ăn dao ở phía cuối của mỗi bước

- Dao dịch chuyển theo quỹ đạo dạng lò xo (hình 1.6d,e)

Theo phương pháp của quá trình dịch chuyển này thì bản chất của quá trình phay cũng không thay đổi (luôn luôn là phay thuận hay nghịch), do đó quá trình cắt ổn định

- Dịch chuyển theo quỹ đạo răng lược (hình 1.6 f,g, h)

Theo phương pháp dịch chuyển này thì bản chất của quá trình phay cũng không thay đổi Sau mỗi lần ăn dao (theo chiều các mũi tên đậm) dao lùi xa khỏi mặt gia công một đoạn rồi chạy về phía vị trí xuất phát ban đầu để thực hiện các bước cắt tiếp theo

b Khoảng cách giữa hai bước kề nhau

Khoảng cách giữa hai bước kề nhau chính là chiều sâu cắt khi phay Khoảng cách giữa hai bước kề nhau lớn nhất tmax được tính theo công thức sau đây: (hình 1.6e)

Tmax = D-2r – h

a Phương pháp ăn dao vào chi tiết (hình 1.7)

Phương pháp ăn dao đơn giản nhất là ăn dao theo phương dọc trục của lỗ đã khoan sẵn (hình 1.7a) Trong trương hợp gia công tinh thì quỹ đạo ăn dao được thực hiện theo cung tròn tiếp tuyến với biên dạng chi tiết tại điểm mà ở đó dao bắt đầu chuyển động cắt theo contour (hình 1.7b) phương pháp này có ưu điểm là lực cắt thay đổi

từ từ, giảm được sai số gia công và thuận lợi cho việc hiệu chỉnh bán kính dao khi lập trình

Hình 1 7 Sơ đồ ăn dao vào chi tiết 1.2.3.4 Chọn chế độ cắt khi phay

Chọn chế độ cắt khi phay trên máy CNC cũng được tiến hành theo các bước như chọn chế độ cắt khi phay trên các máy vạn năng, nghĩa là phải chọn chiều sâu cắt t, lượng chạy dao Sz’ Sphút và tốc độ cắt V Tuy nhiên đối với các máy phay CNC cần chú ý khi chọn lựa chạy dao răng Sz.’ Lượng chạy dao Sz được chọn với giấ trị Smin từ 4 giá trị Sz [7]

Sz = min (Sz1’ Sz2’ Sz3’ Sz4) Trong đó:

S z1 – lượng chạy dao được xác định theo đọ nhám bề mặt , phụ thuộc vào lượng dư

S z2 – lượng dao được xác định phụ thuộc vào biến dạng cho phép của dao (A) (phụ thuộc vào đường kính dao D và chiều dài phần cắt t)

S z3 – lượng chạy dao được xác định xuất phát từ độ bền của dao

S z4- lượng chạy dao cho phép được xác định được xuất phát từ công suất động cơ của máy phay

1.2.4 Lập trình gia công trên máy phay CNC

Tính chất quỹ đạo chuyển động của dao khi phay phụ thuộc vào số tọa độ được điều khiển và nguyên tắc điều khiển chuyển động các cơ cấu chấp hành của máy Như vậy, điều khiển 2 tọa độ cho phép dao dịch chuyển đến bất kỳ điểm nào trong mặt phẳng điều khiển, 3 tọa độ cho phép dao dịch cuyển đến bất kỳ điển nào trong không gian

Khi lập trình cho các bước của nguyên công phay nên dựa vào các sơ đồ phay contour, phay mặt phẳng và phay thể tích

1.2.4.1 Các sơ đồ phay

a Phay contour

Phay contour được thực hiện chủ yếu bằng dao phay ngón Quỹ đạo chuyển động của dao gồm 3 phần: lại gần contour, gia công contour và rời xa contour

Sự lại gần contour là quá trình di chuyển của dao tới bề mặt gia công kể cả

ăn dao vào chi tiết phần ăn dao được thực hiện từ từ theo tiếp tuyến của biên dạng chi tiết để lực cắt không ăn đột ngột Tuy nhiên khi phay thô có thể thực hiện ăn dao vuông góc với biên dạng chi tiết

Gia công contour là quá trình di chuyển của dao theo biên dạng chi tiết Trong phần lượn theo contour hướng chuyển động của dao có thể thay đổi đột ngột,

do đó gây ra sai số contour (do biến dạng đàn hồi của dao trong quá trình cắt và sai

số động lực học của cơ cấu chạy dao) Để giảm sai số contour ta cần giảm lượng chạy dao, giảm lượng dư hoặc thay đổi kích thước dao

Rời xa contour là quá trình di chuyển của dao từ bề mặt gia công ra khỏi vùng gia công Sự rời xa contour cũng được thực hiện theo qu đạo tương tự như sự lại gần contour

b Phay mặt phẳng

Phay các mặt phẳng (hình 1.5) hở được thực hiện theo sơ đồ chạy dao

“ziczac” (hình 1.6 a,b,c), còn phay các mặt phẳng nửa hở được thực hiện theo sơ đồ

“dải băng” (hình f,g,h) Để phay các mặt phẳng kín được giới hạn bằng đường tròn người ta dùng sơ đồ chạy dao theo “đường xoắn ôc” (hình 1.6 d,e)

Đường xoắn ốc có thể được tạo thành từ các cung tròn có tâm khác nhau

c Phay thể tích

Khi phay thể tích quỹ đạo dịch chuyển của dao phay diễn ra đồng thời ít nhát theo 3 trục Thông thường để phay thể tích người ta dùng dao phay với bán kính cầu

Việc lập trình phay thể tích rất phước tạp, do đó để nâng cao năng suất và độ chính xác người ta lập trình với sự trợ giúp của máy tính Tuy nhiên, phương pháp phay thể tích với quỹ đạo dịch chuyển của dao theo 4 hoặc 5 tọa độ chỉ được dùng cho một số loại chi tiết hạn chế

1.2.4.2 Bù bán kính dao khi phay

Hình thức hiệu chỉnh dao phụ thuộc vào dạng quỹ đạo của dao và khả năng của hệ điều khiển máy Đối với các hệ điều khiển khác nhau cùng một chức năng có thể tương ứng với nhiều lệnh khác nhau Ví dụ, cùng một chức năng hủy bỏ hiệu chỉnh dao có thể được thực hiện bằng G40 hoặc G449, hiệu chỉnh nội suy đường thẳng và hiệu chỉnh nội suy cung tròn có thể được ký hiệu bằng G52 v.v…trong nhiều máy CNC hiện đại, hệ điều khiển cho phép lập trình gia công trực tiếp theo contour chi tiết mà không cần xác định tọa độ các điểm trên đường các đều Đặc tính của mã hóa thông tin phụ thuộc vào từng hệ điều khiển cụ thể nhưng nhìn chung hiệu chỉnh dao được mã hóa bằng các chức năng G41 đến G44 để bù bán kính dao và bao gồm hai giai giai đoạn Giai đoạn thứ nhất dịch chuyển dao tới đường cách đều, còn giai đoạn thứ hai là hiệu chỉnh quá trình cắt

Hình 1 8 Bù chiều dài dao khi phay 1.2.4.3 Bù chiều dài dao khi phay

Thông thường dấu âm (-; L<0) trong số hiệu chỉnh cho biết quá trình điều khiển bù dao theo hướng tăng kích thước chi tiết gia công và ngược lại dấu dương (+; L>0) làm giảm kích thước chi tiết gia công Các thông số hiệu chỉnh chiều dài dao được thực hiện tự động thông qua các câu lệnh bù dao của chương trình NC.(G43 bù dao dương, G44 bù dao âm, G49 hủy bỏ lệnh bù dao.)

1.3 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY

Mô hình tổng quát của quá trình cắt khi phay được mô tả như sau: (hình 1.9)

Hình 1 9 Mô hình quá trình phay

1.3.1 Phân tích các nhân tố có trong mô hình

1.3.1.1 Các thông số đầu vào

Các thông số đầu vào của quá trình phay như: Máy; phôi; chế độ cắt; dụng

cụ gia công; phương pháp gia công; dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng quyết định đến chi phí gia công và chất lượng bề mặt, độ chính xác của chi tiết gia công

Ứng với điều kiện gia công cụ thể thì chế độ cắt là thông số đầu vào duy nhất thay đổi, các thông số còn lại thường không thay đổi

1.3.1.2 Các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt khi phay

Các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình phay bao gồm : lực cắt, nhiệt cắt, mòn dao, rung động các đại lượng này chịu ảnh hưởng của các thông

số đầu ra là chất lượng, chi phí gia công và có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau Chính vì vậy các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt khi phay luôn là mục tiêu của nhiều công trình ngiên cứu

1.3.1.3 Các thông số dầu ra

a Chi phí gia công và năng suất gia công

Chi phí gia công hoặc năng suất gia công thường được chon là hàm mục tiêu để nghiên cứu tối ưu hóa nguyên công Đối với nguyên công phay người ta thương chọn hàm chi phí gia công K= f(V,Sz,B,t) làm hàm mục tiêu để giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu trên cơ sở các chỉ tiêu chất lượng nguyên công làm điều kiện ràng buộc

(V: Vận tốc cắt; Sz: lượng chay dao răng; B: Phề rộng phay; t: Chiều sâu cắt)

Chất lượng gia công là một trong các yếu tố cơ bản cần phải đạt được của tất cả các quá trình gia công Chất lượng gia công là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của chi tiết gia công Khi nghiên cứu tối ưu hóa quá trình cắt gọt thì chất lượng gia công dược coi là các điều kiện biên bắt buộc của bài toán Chất lượng gia công bao gồm nhiều chỉ tiêu đánh giá khác nhau (hình 1.9)

1.3.2 Ý nghĩa của các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quátrình cắt khi phay

1.3.2.1 Lực cắt

Lực cắt là một trong những đại lượng đặc trưng quan trọng nhát của quá trình cắt gọt Lực cắt có ảnh hưởng quyết định đến biến dạng của hệ thống công nghệ, nhiệt cắt, quá trình mòn dụng cụ, do đó nó có ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác gia công Vì vậy, việc xây dựng mô hình lực cắt trong điều kiện gia công cụ thể

sẽ góp phần xây dựng các điều kiện ràng buộc về công suất cắt lớn nhất, độ bền cho phép của dao, độ cứng vững của hệ thống công nghệ,… nhằm xây dựng miền giới hạn của bài toán xác định chế dộ cắt tối ưu khi gia công cắt gọt nóii chung và phay nói riêng

Sự thay đổi các thông số chế độ cắt, cũng như các thông số công nghệ khác làm cho lực cắt thay đổi trong điều kiện gia công cụ thể người ta thường nghiên cứu mô hình lực khi cắt thay đổi các thông số chế độ cắt (V, Sz,B,t)

Thông qua lực cắt ta có thể:

- Đánh giá được khả năng gia công của vật liệu

- So sánh và lựa chọn được dụng cụ

- Xác định được ứng suất thực tế tác động lên dụng cụ gia công

- Tìm hiểu được nguyên nhân sai hỏng dụng cụ

- Lựa chọn được chất làm mát và bôi trơn thích hợp

- Đánh giá được độ mòn cũng như tuổi thọ của dụng cụ trong quá trình gia công

- Xây dựng các hàm ràng buộc về lực cắt khi giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu khi phay

1.3.2.2 Nhiệt cắt

Nhiệt cắt là đại lượng đặc trưng luôn luôn xuất hiện trong quá trình cắt gọt nói chung và phay nói riêng Nhiệt cắt có ảnh hưởng đến độ mòn và tuổi bền của dụng cụ gia công, chất lượng bề mặt gia công,…

Các nguyên nhân sản sinh ra nhiệt cắt là : Hiện tượng nội ma sát xuất hiện trong quá trình biến dạng của vật liệu gia công, ma sát giữa phôi với mặt trước của dụng cụ gia công và ma sát giữa mặt sau và bề mặt chi tiết gia công

Nhiệt cắt xuất liện trong quá trình phay cao, nó làm giảm cơ tính của vật liệu dụng cụ do đó tốc độ mài mòn dụng cụ tăng mạnh Nếu nhiệt cắt cao với thời gian kéo dài còn có thể gây ra biến dạng hệ thống công nghệ, làm giảm độ chính xác và chất lượng gia công Nghiên cứu sâu nhiệt cắt trong quá trình phay nhằm mục đích tìm được các chất bôi trơn tưới nguội thích hợp và cơ chế bôi trơn tưới nguội nhằm giảm tối đa nhiệt cắt trong quá trình phay

1.3.2.3 Rung động

Rung động trong quá trình gia công là một đại lượng rất khó xác định Rung động có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt, độ chính xác gia công, độ bền của dao và năng suất gia công

Rung động được chia làm hai loại : Rung động cưỡng bước và tự rung

Các nguyên nhân chính gây ra rung động cưỡng bước trong quá trình phay là :

- Hiện tượng va đập luôn xảy ra khi lưỡi dao vào và ra khỏi vùng gia công vì phay là quá trình cắt không liên tục

- Chiều dày cắt khi phay không đều trong vùng gia công

- Lượng dư không đều dẫn đến chiều sâu cắt thay đổi

- Sự không cân bằng của hệ thống đầu dao

- Các bộ phận truyền động của máy không caan bằng

Các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tự rung khi phay là :

- Sự thay đổi lực ma sát ở mặt trước và mặt sau của dao trong quá trình cắt

- Sự thay đổi tính đều của vật liệu gia công trong quá trình cắt

- Do sự biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ

Do đó, xây dựng được các mô hình độ nhám bề mặt của quá trình phay chính

là xây dựng các điều kiện ràng buộc về chất lượng bề mặt chi tiết gia công nhằm xây dựng cơ sở giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu khi phay

1.3.2.5 Độ mòn dao

Cũng như tất cả các phương pháp gia công cắt gọt khác, khi phay cũng có hiện tượng mòn dao Khi phay rãnh, phay cắt đứt thì mòn dao ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước của chi tiết gia công Khi phay các mặt phẳng bằng dao mặt đầu thì lượng mòn dao đo theo phương vuông góc với bề mặt chi tiết đã gia công cũng có ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết gia công

Hiện tượng mòn phụ thuộc vào rất nhiều yế tố như: vật liệu phôi, vật liệu dụng cụ cắt, đặc tính vật lý và hóa học của bề mặt, áp suất, nhiệt độ, ma sát, tốc độ tương đối,…

Khi gia công trên các máy phay CNC có trên 3 chiều chuyển động, vị trí tương đối giữa dao phay với chi tiết gia công luôn thay đổi nên vùng ăn khớp cũng thay đổi theo dẫn đén chế dộ cắt cũng phải thay đổi liên tục Trong trường hợp này nghiên cứu môn giao là đặc biệt khó khăn

Khi phay bằng dao phay ngón, chiều sâu cắt phương dọc trục dao thường lớn nên độ mòn của lưỡi cắt dọc trục có thể khác nhau mặc dù lực cắt không cao Một vài phần của lưỡi cắt có thể mòn quá phạm vi cho phép gây ra chất lượng bề mặt không đảm bảo yêu cầu

Khi dao mòn, lưỡi cắt thương bị vê tròn dẫn đến cơ chế của quá trình cắt bị ảnh hưởng, lớp bề mặt chi tiết bị biến dạng nhiều hơn, do đó không chỉ chiều cao nháp nhô của lớp bề mặt mà cả cơ tính lớp bề mặt cũng thay đổi Điều này làm cho lực cắt trong quá trình gia công thay đổi gây ra các rung động mạnh hơn Các rung động này lại ảnh hưởng ngược lại đến lực và nhiệt cắt Cũng có thể đánh giá hiện tượng mòn dao thông qua xác định chất lượng lóp bề mặt chi tiết gia công Thông thường khi gia công, chiều cao nhấp nhô tế vị bề mặt thay đổi đột ngột thì cần phải thay dụng cụ gia công

Do đó cần phải mô hình hóa quá trình mòn dao khi phay Việc xây dựng mô hình quá trình mòn dao khi phay chẳng những xây dựng được cơ sở cho việc giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu khi phay mà còn góp phần làm sáng tỏ các vấn

đề liên quan đến việc tự động điều chỉnh dao và thay dao khi tự động hóa nguyên công phay

1.3.3 Nội dung của nghiên cứu mô hình hóa quá trình cắt khi phay

Bản chất của nghiên cứu mô hình hóa quá trình cắt khi phay là việc tìm và xây dựng các mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt phay (ĐLĐT) với các thông số đầu vào của quá trình gia công các phương trình toán học Cụ thể :

Quan hệ hàm số : ĐLĐT = f (thông số chế độ cắt, vật liệu gia công, vật liệu dụng cụ, máy, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, thành phần dung dịch trơn nguội, phương pháp bôi trơn tưới nguội…)

Tập hợp các mô hình của các đại lượng đặc trưng chính là việc xây dựng miền rằng buộc của quá trình phay Dựa trên các mối quan hệ rằng buộc này cho phép ta điều khiển quá trình gia công nhằm đật được năng suất cao nhất, chi phí gia công thấp nhất trên cơ sở đảm bảo chất lượng chi tiết gia công theo yêu cầu Trong điều kiện gia công cụ thể, các đại lượng đặc trưng có mối quan hệ qua lại với nhau nên khi nghiên cứu mô hình hóa quá trình cắt khi phay ta cần xây dựng đồng thời

mô hình của nhiều các đại lượng đặc trưng nhằm xây dựng được bộ chỉ tiêu tỏng quát đánh giá quá trình gia công

1.3.3.1 Nội dung khái quát và những nhận xét về các công trình đã nghiên cứu

Thực ra đã có các công trình nghiên cứu về mô hình hóa quá trình cắt khi phay nhưng :

- Các công trình được công bố chủ yếu liên quan đến máy phay thông thường, liên quan đến máy phay CNC còn rất ít

- Các công trình đó mang tính rời rạc ; Mỗi tác giả nghiên cứu một vấn đề riêng biệt như : lực cắt hoặc lượng mòn dao hoặc độ nhám bề mặt,… rung động hoặc nhiệt cắt

- Do cách nghiên cứu độc lập như vậy nên không xây dựng được mối quan

hệ ảnh hưởng qua lại giữa các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình phay Do vậy, các kết quả nghiên cứu khó ứng dụng được trong thực tế sản xuất cũng nhưng không đánh giá tổng thể được quá trình gia công

- Các kết quả nghiên cứu ấy cũng chỉ ứng với mỗi chủng loại vật liệu, máy công cụ cụ thể nên không áp dụng được cho việc nâng cao hiệu quả quá trình gia công trên máy CNC

- Các công trình nghiên cứ chỉ dừng lại ở các công bố kết quả còn phương pháp nghiên cứu không được công bố

Nhận xét:

Phần lớn các công trình nghiên cứu mô hình hóa quá trình cắt trong cắt gọt nói chung và phay nói riêng đều chỉ công bố kết quả nghiên cứu trong điều kiện gia công cụ thể Phương pháp nghiên cứu không được công bố chi tiết và các kết quả không thể ứng dụng ngay nếu không mua bản quyền nghiên cứu Mặt khác, các nghiên cứu này được thực hiện trong các điều kiện gia công khấc nhau và rất khác điều kiện gia công tại Việt Nam nên rất khó áp dụng có hiệu quả trong thực tế sản xuất trong nước

Do vậy việc nghiên cứu mô hình hóa quá trình cắt khi phay trong điều kiện gia công cụ thể tại VIệt Nam (máy phay CNC; vật liệu thép làm khuôn; dao phay ngón) vẫn phải được tiếp tục nghiên cứu với phương pháp nghiên cứu khác là: nghiên cứu đông thời các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình phay

Cụ thể :

Mô hình lực cắt khi phay được rất nhiều các công trình đề cập

Trong các nghiên cứu này, các tác giả đã xây dựng được các phương trình

mô tả giữa lực cắt tức thời tức thời khi phay với các thông số chế độ cắt đồng thời nhiều công trình nghiên cứu cũng đề cập đến ảnh hưởng của độ đảo dụng cụ, độ mòn dụng cụ đến lực cắt khi phay,… phần lớn các phương trình nghiên cứu xây dựng phương trình mô tả mối quan hệ giữa các hệ số lực cắt đơn vị với chế độ cắt dưới dạng khai triển chuỗi FOURIER, hoặc các ma trận kết quả

Các mô hình lực cắt được nghiên cứu trong những điều kieenjgia công cụ thể khác nhau: cắt cao tốc, gia công 3 chiều trên máy phay CNC,…

Nhận xét:

Mô hình lực cắt đã được công bố, được xây dựng thương không xét đến ảnh hưởng của thời gian gia công Trong thực tế sản xuất lực cắt phụ thuộc nhiều vào thời gian gia công hay nói cách khác đó là phụ thuộc vào lượng mòn dao trong quá trình gia công

- Mô hình độ nhám bề mặt chi tiết gia công cũng được đề cập trong nhiều các công trình nghiên cứu

Các công thông số ảnh hưởng đến chiều cao nhấp nhô tế vị bề mặt được nghiên cứu chủ yếu là lượng chạy dao, thông số hình học của dụng cụ và độ đảo của dao trong quá trình gia công Các tác giả cũng đã xây dựng được các mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vị bề mặt với lượng chạy do dưới dạng các hàm số mũ

Nhận xét :

Độ nhám bề mặt chi tiết gia công không những phụ thuộc nhiều vào lượng chạy dao mà còn phụ thuộc vào cả vận tốc cắt, chiều sâu cắt Khi vận tốc cắt tăng, thì tốc

độ biến dạng dẻo lớp bề mặt tăng nên ảnh hưởng đáng kể đến chiều cao nhấp nhô tế

vị bề mặt Việc nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt rất quan trọng trong việc điều khiển quá trình gia công nhằm đạt được chất lượng bề mặt chi tiết yêu cầu Độ nhám bề mặt cũng là đại lượng thay đổi theo thời gian gia công

- Mô hình tuổi bền dao phay được đề cập đến trong nhiều các công trình

Có rất nhiều các công trình nghiên cứu về mòn dao trong quá trình gia công nhưng các kết quả được công bố vẫn chưa được hoàn thiện do mòn là một hiện tượng phức tạp

Các kết quả nghiên cứu về xác định độ mòn dao bằng các phương pháp gián tiếp như : Xác định nhiệt cắt, tỷ số lưc tiến dao Py với lực Pc, các tín hiệu âm thanh khi dao mòn,… phát triển phương pháp theo dõi độ mòn thông qua lực cắt của dụng cụ mới và dụng cụ đã mòn

Nhiều tác giả đã xây dựng mối quan hệ giữa tuổi bền của dụng cụ với các thông

số chế dộ cắt dưới dạng các phương trình hàm số mũ trong một điều kiện gia công

cụ thể Trên cơ sở đó người ta có thể điều khiển quá trình gia công để tuổi bền dụng

cụ gia công có giá trị hợp lý nhất

cụ gia công thường được hãng sản xuất dao công bố, hoặc trong sản xuất hâng loạt

ta có thể thực nghiệm xác định số lượng chi tiết gia công được trong phạm vi tuổi bền của dao và như vậy thì có thể lấy số lượng chi tiết làm chỉ tiêu đánh giá tuổi bền của dao Do điều kiện công nghệ luôn thay đổi, nên độ chính xác của các phương pháp trên còn nhiều điểm hạn chế Với phương pháp xác định tuổi bền băng nhiều chỉ tiêu ta có thể xác định thời điểm thay dao (xoay mảnh cắt)chủ động và chính xác hơn

Mặt khác, mòn dao theo phương vuông góc với bề mặt gia công khi phay bằng giao phay mặt đầu có ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác gia công, tuy nhiên lượng mòn này lại chưa được đề cập đến trong các công trình nghiên cứu Đặc biệt lượng mòn này có thể làm cho dung sai của kích thước gia công vượt ra khỏi phạm

vi cho phép dẫn đến phế phẩm mặc dù mặc dao vẫn còn làm việc được trong phạm

vi tuổi bền dao Trong trường hợp này, để giảm chi phí thì ta phải điều chỉnh lại vị trí tương đối giữa dao và chi tiết gia công để kích thước chi tiết luôn nằm trong phạm vi cho phép Điều này thực sự có ý nghĩa khi tiến hành gia công hàng loạt trên máy CNC với yêu cầu độ chính xác cao

1.3.3.2 Mục đích nghiện cứu

Nghiên cứu mô hình hóa quá trình cắt khi phay nhằm giải quyết một số vấn

đề chuyên môn sau:

1 Thiết lập các điều kiện biên, miền giới hạn để xây dựng và giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu khi phay

2 Thiết lập các phương trình mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng

cơ bản xuất hiện trong và sau quá trình cắt khi phay với các thông số chế độ cắt và thời gian gia công cho phép tính toán để dùng giá trị các đại lượng đặc trưng tại thời điểm bất kỳ trong quá trình gia công với chế độ cắt bất kỳ, đồng thời cho phép xấy dựng miền giới hạn của các thông số công nghệ ứng với từng điều kiện gia công cụ thể tại thời điêm bất kỳ của quá trình sản xuất

3 Xây dựng các mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng cho phép linh hoạt trong việc chọn chỉ tiêu đánh giá quá trình gia công trong sản xuất thực tế

4 Xây dựng được phương pháp xác định chính xác thời điểm thay dao (xoay mảnh cắt xoay) thông qua việc đánh giá đồng thời nhiều chỉ tiêu

4 Xây dựng các tín hiệu ngược phục vụ cho việc tự động điều chỉnh dao góp phần tự động hóa nguyên công phay nhằm: Giảm chi phí gia công, đảm bảo và nâng cao độ chính xác gia công

1.4 GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu

Dao phay ngón được dùng nhiều nhất khi gia công trên máy phay CNC và các trung tâm gia công cơ.dao phay này được dùng rất phổ biến khi gia công các mật phẳng, các lòng khuôn và các mặt không gian trong gia công khuôn mẫu

Khác với dao tiện, lưỡi cắt của dao phay ngón làm việc gián đoạn và chịu va đập với tần số va đập bằng bội số z tần số góc của trục chính (phay bề mặt liên tục)

và chịu lực va đập lớn nhất khi phay thuận Do đó, trong quá trình làm việc ở môi trường nhiệt dộ cao, lưỡi cắt dao phay bị sứt, vỡ sự phá hỏng lưỡi cắt này xảy ra không đồng đều trên các răng

Hơn nữa, dao phay là dụng cụ cắt nhiều lưỡi nên đòi hỏi về độ đảo của các lưỡi dao cắt theo phương hướng kính và dọc trục khá cao nên chi phí mài lại cũng