Khảo sát ảnh hưởng của rung động đến độ nhám bề mặt khi gia công trên máy phay CNC

Chính vì lẽ đó quá trình chế tạo sản phẩm trở nên ngắn hơn bao giờ hết Hình 1.1: Quá trình chế tạo sản phẩm Để việc ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM-CNC đạt được kết quả tốt thì việc hoạch địn

-

NGUYỄN NAM HẢI

Khảo sát ảnh hưởng của rung động đến độ nhám

bề mặt khi gia công trên máy phay CNC

CHUYấN NGÀNH CễNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2010

Lời cảm ơn Trước tiên tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới GS.TS trần văn địch, người hướng dẫn khoa học đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá

trình làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Cơ Khí - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm Cơ Khí Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội cùng các bạn bè đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu

Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Học viên

Nguyễn Nam Hải

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng bản luận văn này hoàn toàn do tôi làm ra dưới sự chỉ đạo của các nhà giáo hướng dẫn khoa học và bộ môn Công nghệ chế tạo máy Viện Cơ Khí – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Những nội dung trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của tôi

Lời nói đầu

Ngày nay ngành công nghiệp đang phải đối đầu với những thách thức to lớn và cạnh tranh quyết liệt Như chúng ta biết, Việt Nam đã gia nhập tổ chức thương mại mậu dịch thế giới (WTO), vì vậy đòi hỏi phải đưa ra chiến lược phát triển công nghệ và khoa học kỹ thuật để có thể cạnh tranh với các nước trên thế giới

Các nhà sản xuất phải tìm cách giảm thời gian chế tạo, tăng chất lượng sản phẩm, nâng cao sản xuất và linh hoạt hoá sản xuất bằng việc tăng cường

áp dụng tự động hoá với các phương pháp tiên tiến Ngày nay ở nước ta đang

có xu hướng đưa công nghệ cao tới từng các doanh nghiệp vừa và nhỏ

Cùng với sự phát triển của xã hội, việc nghiên cứu khoa học trên các máy CNC ngày càng được chú trọng nhằm đạt được năng suất gia công cao nhất và chất lượng gia công tốt nhất Vì vậy việc nghiên cứu và tìm quy luật các mối liên hệ của các yếu tố trong quá trình gia công là hết sức cần thiết Muốn đạt được những kết quả đó cần phải đầu tư thiết bị, thời gian và công sức Vì thời gian và điều kiện thiết bị có hạn, bản luận văn chỉ nghiên cứu 1

chuyên đề : “ Khảo sát ảnh hưởng của rung động đến chất lượng bề mặt chi

tiết khi gia công trên máy phay CNC ”

Sau một thời gian làm luận văn cùng với sự chỉ bảo tận tình của thầy

GS.TS Trần Văn Địch , luận văn đã cơ bản hoàn thành tuy vậy sẽ không tránh khỏi những thiết sót, kính mong được các thầy, cô xem xét bổ sung để chuyên

đề này được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Lời cảm ơn 1

Lời cam đoan 2

Lời nói đầu 3

phần mở đầu 7

phần nội dung 14

chương 1: tổng quan về kỹ thuật gia công CNC và phay CNC 14

1.1 Khái quát chung về kỹ thuật CAD/CAM – CNC 14

1.2 Vài nét về tình hình khai thác sử dụng máy CNC hiện nay 17

1.3 Nguyên lý gia công điều khiển số CNC 18

1.3.1 Khái niệm và đặc trưng cơ bản của các máy gia công CNC 18

1.3.2 Hệ điều khiển máy gia công CNC 21

1.3.3 Các trục điều khiển NC (NC axises) 24

1.3.4 Hệ tọa độ và các điểm gốc lập trình gia công CNC quan trọng 25

1.3.5 Chu trình và chương trình con 28

1.3.6 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng máy gia công CNC 29

CHƯƠNG 2: HIỆN TƯỢNG RUNG ĐỘNG TRONG GIA CễNG CẮT GỌT .31

2.1 Khỏi niệm về ổn định và mất ổn định của quỏ trỡnh cắt gọt khi xuất hiện rung động .31

2.2 Cỏc thụng số đầu vào của quỏ trỡnh khảo sỏt rung……… 31

2.2.1 Chuyển vị 32

2.2.2 Vận tốc 33

2.2.3 Gia tốc 34

2.2.4 Quan hệ giữa cỏc thụng số 34

2.3 Phõn loại rung động 35

2.3.1 Rung động cưỡng bức 35

2.3.2 Dao động riờng 36

2.3.3 Tự rung 37

2.4 Cỏc nguyờn nhõn gõy lờn rung động 39

2.4.1 Mất cõn bằng 39

2.4.2 Khụng đồng trục 40

2.4.3 Ma sỏt cơ học 41

2.4.4 Bỏnh răng bị mũn 41

2.4.5 Độ rơ của mỏy 41

2.4.6 Trục khuỷu 41

2.4.7 Độ lệch tõm tại ngừng trục 42

2.4.8 Lực khớ động và ỏp lực thủy động 42

2.4.9 Sự biến dạng 42

2.4.10 Lựa chọn thiết bị khụng phự hợp 42

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng của rung động trong quá trình cắt 42

2.5.1 ảnh hưởng của máy 42

2.5.2 ảnh hưởng của vị trí tương đối giữa dao và phôi 46

2.5.3 ảnh hưởng của phôi và dao 49

2.5.4 ảnh hưởng của thông số hình học của dao và chế độ cắt 53

2.5.5 ảnh hưởng của vật liệu gia công 58

2.6 các biện pháp nâng cao ổn định của quá trình cắt 59

2.6.1 nhóm các biện pháp liên quan đến cấu trúc của máy 59

2.6.2 các biện pháp liên quan đến phôi và dụng cụ gia công 59

2.6.3 các biện pháp liên quan đến quá trình cắt 59

2.7 Lập mô hình thực nghiệm của độ nhám bề mặt và rung động khi phay .60

Chương 3: xây dựng hệ thống trang thiết bị thực nghiệm đo rung động và đo nhám 61

3.1 Mục tiêu thực nghiệm 61

3.2 Xây dựng hệ thống thực nghiệm 61

3.2.1 Xây dựng sơ đồ thực nghiệm tổng thể 61

3.2.2 Cơ sở lý thuyết 62

3.2.3 Cấu trỳc hệ thống đo và phõn tớch rung 64

3.2.4 Cảm biến đo rung 3 chiều loại BR4321V 65

3.2.5 Thiết bị gia cụng tớn hiệu UV-05 66

3.2.6 CARD ADC PCMCIA-DAS16/16 71

3.2.7 Mỏy tớnh và phần mềm DASYLab 72

3.3.2 Máy dùng trong thực nghiệm 79

3.2.3 Sơ đồ gá phôi 81

Chương 4: khảo sát thí nghiệm ảnh hưởng của rung động đến độ nhám bề mặt khi gia công trên máy phay CNC – doosan dnm400 87 4.1 Quan hệ giữa độ nhám và chế độ cắt khi phay trên máy phay đứng

KÕt luËn ch−¬ng 4 108

KÕt luËn chung 109

H−íng nghiªn cøu tiÕp theo 110

tµi liÖu tham kh¶o 111

MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

Py(t) : Lực cắt Py tại thời điểm t (N)

Py(tb): Lực cắt Py trung bình tại thời điểm t (N)

Pya : Thành phần lực cắt có tần số 120 -1000 HZ tại thời điểm t (N)

QW: Nhiệt lượng truyền vào chi tiết

Ra;Rz ; Rt: Độ nhám bề mặt gia công (µm)

YRa; XRa; ZRa; λRa: Các hệ số mũ xét đến mức độ ảnh hưởng của chế độ cắt t, s và v

Ra(t): Chiều cao nhám

t: Chiều sâu cắt (mm)

T: Thời gian phay (phút)

Q: Hiệu quả kinh tế

C1: Giá thành công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên máy thường

E: Đại lượng nghịch đảo, thời hạn hoàn thành vốn mua máy

K1 : Chi phÝ ®Çu t− cho m¸y th−êng (®/chi tiÕt)

K2 : Chi phÝ ®Çu t− cho m¸y NC, CNC (®/chi tiÕt)

N: S¶n l−îng cña chi tiÕt cÇn gia c«ng (chi tiÕt/n¨m)

DANH MỤC CÁC HèNH VẼ

Hình 1.1: Quá trình chế tạo sản phẩm 15

Hình 1.2: Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM - CNC 16

Hình 1.3: Các đường chạy dao trong điều khiển theo điểm 23

Hình 1.4: Các đường chạy dao trong chuyển động theo đường 23

Hình 1.5: Điểm không của máy tiện, phay CNC 26

Hình 1.6: Điểm gốc và điểm cắt của dao 27

Hỡnh 2.1 Phõn biệt trạng thỏi ổn định và mất ổn định 31

Hỡnh 2.2 Thớ dụ về tớn hiệu dao động điều hũa 32

Hỡnh 2.3 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của cựng một chuyển động 34

Hỡnh 2.4 Mụ hỡnh dao động cưỡng bức 36

Hỡnh 2.6 Phõn biệt rung động cưỡng bức và tự rung 38

Hỡnh 2.7 Đốm nặng gõy ra mất cõn bằng 39

Hỡnh 2.8 Đỏp ứng biờn độ của rụto khụng cõn bằng 40

Hỡnh 2.9 Hai trạng thỏi khụng cõn bằng 40

Hỡnh 2.10 Cỏc trường hợp lệch trục 41

Hình 2.11 Các dạng móng máy và lắp đặt máy 43

Hình 2.12 Quan hệ giữa độ mềm dẻo của máy với tần số trong trường hợp móng máy được lắp đặt khác nhau 44

Hình 2.13 Sự phụ thuộc của độ mềm dẻo của máy doa và độ cứng vững của trục chính 44

Hình 2.14 Độ mềm doẻ động lực học của máy phay đứng khi chịu tải theo phương X 45

Hình 2.15 ảnh hưởng của nhiệt độ của máy đến phản ứng động lực học của máy 46

Hình 2.16 ảnh hưởng của hướng lực cắt đến ổn định 47

Hình 2.17 Đồ thị cực biểu thị sự biến đổi của chiều rộng cắt tới hạn phụ thuộc vị trí tương đối giữa dao và phôi 48

Hỡnh 2.19.ảnh hưởng của độ mềm dẻo của phôi đến chiều sâu cắt tới hạn 50

Hình 2.20 ảnh hưởng của độ dài thân dao đến độ mềm dẻocủa một máy tiện đứng 51

Hình 2.21 Sự giảm phần thực âm của đồ thị cực do thay đổi kết cấu dao 52

Hình 2.22 Mất ổn định do dao ăn lẹm vào chi tiết gia công làm biến đổi lực cắt động lực học 52

Hình 2.23 ảnh hưởng của góc sau α đến chiều sâu cắt tới hạn 53

Hình 2.24 Sự phụ thuộc của chiều rộng cắt tới hạn vào góc điều chỉnh χ 54

Hình 2.25 ảnh hưởng của góc nghiêng φ đến độ ổn định của quá trình cắt 55

Hình 2.26 Sự phụ thuộc của chiều sâu cắt tới hạn vào thời gian cắt của dao 55

Hình 2.27 ảnh hưởng của chiều sâu cắt và bán kính đỉnh dao đến hướng của lực cắt động lực học 56

Hình 2.28 ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều rộng cắt tới hạn khi Phay 57

Hình 2.29 ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chiều rộng cắt tới hạn K 58

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm tổng thể nghiên cứu quan hệ của rung động đến độ nhám khi gia công trên máy phay CNC 62

Hỡnh 3.2: Nguyờn lý động lực trong cảm biến đo rung 63

Hỡnh 3.3: Cỏc thiết bị đo rung 65

Hỡnh 3.4 CARD PCMCIA DASY16/16 71

Hỡnh 3.5 Lưu đồ đọc và xử lý tớn hiệu đo 78

Hình 3.6: Máy phay DOOSAN DNM400 80

Hình 3.7 : Sơ đồ gá phôi 82

Hình 3.8: Phôi dùng trong thực nghiệm 82

Hình 3.9 Vị trí đặt cảm biến đo rung 83

Hình 3.10 Mảnh cắt 490R-08T380-PM của hãng Sandvik 84

Hình 3.11: Máy đo nhám SJ-400 84

Hình 3.12: Sơ đồ đo nhấp nhô tế vi bề mặt 85

Hình 4.1; Hình ảnh xử lý số liệu bằng phần mềm TableCurve 87

Hình 4.2: Kết quả thí nghiệm lần 1 (Ra) 90

Hình 4.3: Kết quả thí nghiệm lần 2 (Ra) 90

Hình 4.4: Kết quả thí nghiệm lần 3 (Ra) 93

Hình 4.5: Kết quả thí nghiệm lần 4 (Ra) 93

Hình 4.6: Kết quả thí nghiệm lần 5 (Ra) 96

Hình 4.7: Kết quả thí nghiệm lần 6 (Ra) 96

Hình 4.8: Kết quả thí nghiệm lần 7 (Ra) 99

Hình 4.9: Kết quả thí nghiệm lần 8 (Ra) 99

Hình 4.10: Kết quả thí nghiệm lần 9 (Ra) 102

Hỡnh 4.11: Đồ thị quan hệ giữa biờn độ rung A (m/s2) và chế độ cắt 103

Hình 4.12: Hệ số và số mũ hàm quan hệ A và chế độ cắt 104

Hỡnh 4.13: Đồ thị quan hệ giữa biờn độ rung Ra (àm) và chế độ cắt 106

phần mở đầu

I lý do chọn đề tài

- Hiện nay, ở Việt nam máy công cụ CNC đã được sử dụng rất nhiều ở các cơ sở sản xuất Tuy nhiên, hiệu quả khai thác các máy gia công NC, CNC chưa cao.Nguyên nhân chủ yếu là do việc vận hành và sử dụng máy chưa hợp

lý Do đó, việc chọn phương án nghiên cứu trên máy công cụ CNC là để góp phần nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng máy móc thiết bị

- Rung động là thông số quan trọng của quá trình công nghệ ảnh hưởng

quyết định đến độ nhám của chi tiết gia công Nó là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất và trực tiếp đến các chỉ tiêu kỹ thuật của quá trình công nghệ: độ chính xác kích thước và chất lượng bề mặt gia công, cơ tính bề mặt sau gia công, độ mòn dao, mức độ tiêu hao năng lượng, tính an toàn của quá trình

- Nghiên cứu về rung động và chất lượng bề mặt gia công trên các máy CNC là một vấn đề thực sự cần thiết

ii mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là thiết lập mối quan hệ giữa rung động

ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt để từ đó chọn chế độ cắt hợp lý khi gia công tinh và điều khiển tự động quá trình cắt nhằm đảm bảo cho hệ thống công nghệ cho gia công phay làm việc trong trạng thái ổn định và có hiệu quả

iii đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Khảo sát ảnh hưởng của rung động đến chất

lượng bề mặt chi tiết khi gia công trên máy phay CNC

- Phạm vi nghiên cứu: Do điều kiện thời gian và trang thiết bị còn hạn chế nên luận văn chỉ dừng lại ở mức khảo sát ảnh hưởng rung động, thiết lập mối quan hệ giữa rung động và độ nhám bề mặt để đánh giá sự phù hợp của chế độ cắt tinh theo khuyến cáo của nhà sản xuất

iv ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

ý nghĩa khoa học

Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn

đã đưa ra được các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa rung động và chất lượng bề mặt làm cơ sở để chọn chế độ gia công tinh hợp lý

ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu, khảo sát sự ảnh hưởng của lực cắt đến chất lượng

bề mặt chi tiết khi gia công trên máy phay CNC có ý nghĩa thực tiễn như sau:

Giúp cho việc lựa chọn chế độ cắt tinh hợp lý theo khuyến cáo của các hãng sản xuất

Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác như: Rung động và

tự rung động trong quá trình cắt, điều khiển thích nghi quá trình cắt và các nghiên cứu về mòn dụng cụ, tuổi bền dụng cụ

phần nội dung chương 1: tổng quan về kỹ thuật gia công CNC

và phay CNC 1.1 Khái quát chung về kỹ thuật CAD/CAM – CNC

Vào giữa thế kỷ 20, nền kinh tế thế giới đã có những bước tiến lớn mang tính toàn cầu Các hệ thống máy móc, thiết bị cũ không thể đáp ứng được nhu cầu của con người trong việc phát triển kinh tế cũng như chinh phục tự nhiên

ý tưởng chế tạo ra một máy gia công tự động thực hiện quá trình cắt đã được manh nha từ đầu thế kỷ trở nên cần thiết hơn bao giờ hết Đặc biệt sau đại chiến thế giới lần thứ hai (1945), cùng với sự ra đời của hàng loạt nước theo

đường lối Chủ nghĩa Xã hội đã đưa thế giới phân làm hai thái cực là Tư bản Chủ nghĩa và Xã hội Chủ nghĩa Đường lối chính trị của cả hai khác hẳn nhau

đã trở thành mâu thuẫn trên mọi phương diện xã hội, kinh tế, quân sự Để giành được ưu thế thì việc thiết kế, chế tạo ra các loại máy móc, thiết bị, vũ khí mới đã trở lên cấp bách hơn bao giờ hết Chính vì lẽ đó, việc nghiên cứu, chế tạo máy gia công tự động đã có kết quả bước đầu ngay từ những năm 50 Nhưng phải đến những năm 70, sự bùng nổ của công nghệ thông tin đã thúc

đẩy và đưa kỹ thuật CAD/CAM-CNC lên một tầm cao mới mà đỉnh cao là năm 1979, khớp nối liên hoàn kỹ thuật CAD/CAM-CNC đã được khai thông Quá trình từ khi có ý tưởng về sản phẩm hay vật mẫu đến khi chế tạo ra sản phẩm được rút ngắn, sản phẩm đa dạng và phong phú hơn bao giờ hết, đáp ứng nền kinh tế thị trường

Quá trình chế tạo sản phẩm nói chung có thể khái quát qua sơ đồ hình 1.1 Quá trình thiết kế sản phẩm trước đây thường rất dài vì thiếu công cụ thiết kế Quá trình chế tạo sản phẩm gặp khó khăn vì thiết bị không đáp ứng được, có những công đoạn phải làm thủ công nên mất thời gian Quá trình Marketting thường diễn ra chậm Như vậy quá trình chế tạo sản phẩm từ khi có ý tưởng

đến khi đưa được sản phẩm đến với tay người tiêu dùng là cả một chặng đường dài Chính vì lẽ đó nó không thể đáp ứng được với cơ chế thị trường

Quá trình chế tạo sản phẩm hiện nay đã có bước đột phá ý tưởng về sản phẩm được thiết kế ngay trên máy tính bằng phần mềm AutoCAD hay các

phần mềm thiết kế khác như SolidWork, Inventor và phần mềm hỗ trợ kiểm

tra phù hợp Việc thiết kế sản phẩm còn được hỗ trợ bởi thiết bị dò hình số

hoá hay thiết bị tạo mẫu nhanh Sau khi có thiết kế, chuỗi liên hoàn

CAD/CAM đã cho phép chuyển đổi bản vẽ sang chương trình gia công tự

động Quá trình chế tạo sản phẩm (CAM) đã được tự động hoá cao, gia công

được các bề mặt phức tạp nhờ kỹ thuật CNC, hệ thống thông tin cập nhật

nhanh Chính vì lẽ đó quá trình chế tạo sản phẩm trở nên ngắn hơn bao giờ hết

Hình 1.1: Quá trình chế tạo sản phẩm

Để việc ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM-CNC đạt được kết quả tốt thì việc

hoạch định quy trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính CAPP (Computer

Aided Process Planning) đóng một vai trò quan trọng bởi nó là cầu nối giữa

thiết kế và chế tạo, là một liên kết trong các hoạt động tổ hợp của hệ thống chế

tạo Hơn nữa việc hoạch định đó còn có lợi ích sau:

quá trình marketting

Chế tạo chi tiết

Đóng gói

Thu thập thông tin liên quan

để nghiên cứu thiết kế

Thiết kế sản phẩm

Kiểm tra đánh giá chất

lượng

Chế tạo thử

Kiểm tra chất lượng sản phẩm

Lắp ráp sản phẩm

Tổ chức

mạng lưới

tiêu thụ

Tổ chức dịch vụ sửa chữa bảo hành

Thu thập thông tin về sản phẩm

quá trình thiết

kế

quá trình chế tạo

Đường đi của quá trình Đường phản hồi

- Chi phí sản xuất giảm vì giảm bớt được công chuẩn bị sản xuất Sử dụng có hiệu quả hơn về máy, về nguyên vật liệu

- Tiết kiệm được thời gian, tăng cường tính linh hoạt do khả năng đáp ứng nhanh các đòi hỏi thay thế về cấu hình sản phẩm

- Thể hiện tính nhất quán

Hình 1.2: Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM - CNC

Ngày nay, giải pháp lập trình CAD/CAM-CNC đã được nghiên cứu, tạo lập và ứng dụng trong đào tạo, sản xuất, với ý tưởng ẩn sâu là sử dụng duy nhất

Bắt đầu hệ thống

CA /CATạo lập mô hình hình

một hệ cơ sở dữ liệu kỹ thuật (a single technical database) cho cả hai khâu thiết

kế và chế tạo chi tiết trong quá trình nghiên cứu, thiết kế phát triển sản phẩm cũng như trong quá trình sản xuất chế tạo sản phẩm

Xu hướng hiện nay, việc hoạch định quy trình công nghệ thường được

định hướng linh hoạt hoá Trong ngành Cơ khí đã có sự dịch chuyển từ tự động hoá các doanh nghiệp có quy mô sản xuất lớn sang quy mô vừa và nhỏ Điều

đó cho phép dễ dàng thực hiện linh hoạt hoá Với định hướng này, dây chuyền gia công chi tiết cơ khí có thể thực hiện theo một trong các phương án sau: Phương án 1: Dùng máy vạn năng kết hợp gá lắp, điều chỉnh theo nhóm chi tiết

Phương án 2: Dùng máy chuyên dùng đơn giản có khả năng điều chỉnh theo nhóm chi tiết gia công

Phương án 3: Dùng các máy hay trung tâm gia công CNC theo giải pháp tập trung nguyên công, tự động hoá việc điều khiển theo hướng linh hoạt hoá

và tự động hoá

Quá trình từ thiết kế đến chế tạo ra sản phẩm có sự đóng góp đắc lực của

kỹ thuật CAD/CAM – CNC nhưng vai trò của con người trong đó có ý nghĩa quyết định Chương trình gia công NC, CNC dù có được xây dựng từ chuỗi liên thông thì cũng không thể đáp ứng với mọi loại máy, mọi loại vật liệu, mọi phương thức gia công mà thể hiện rõ nhất là việc sử dụng chế độ cắt trên máy

1.2 Vài nét về tình hình khai thác sử dụng máy CNC hiện nay

ở Việt Nam chúng ta, trước đây hệ thống sản xuất cơ khí quá lạc hậu, năng suất thấp, chất lượng kém nhưng giá thành lại cao, sản xuất chưa đáp ứng

được thị trường trong nước chứ đừng nói gì đến vươn ra thị trường ngoài nước Nhận thức rõ vấn đề đó, sau Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VI (1986) với chủ trương đổi mới, nhiều chính sách ra đời đã tạo cho doanh nghiệp sự chủ động, sáng tạo Rất nhiều doanh nghiệp trong nước và liên doanh với nước ngoài đã

đưa máy gia công có mức độ tự động hoá cao vào sản xuất Ngành cơ khí nước ta nói riêng và tất cả các ngành khác nói chung đã có bước phát triển

hơn Tuy nhiên, tìm hiểu một số doanh nghiệp sử dụng kỹ thuật CNC thì thấy

có một số hạn chế sau:

- Chủng loại máy, nguồn gốc máy đa dạng nhưng chủ yếu là các máy của : Đức, Nhật, Trung quốc, Đài loan, Hàn quốc… Đáng chú ý là có một số máy không rõ nguồn gốc vì việc mua bán máy qua nhiều trung gian, tài liệu thất lạc

- Hệ điều khiển của máy chủ yếu là FANUC, HEIDENHAIN, Mitsubishi

- Việc chuyển giao kỹ thuật từ các chuyên gia nước ngoài cho đối tác tại Việt Nam không đầy đủ Chủ yếu chỉ hướng dẫn lập trình cơ bản và thao tác vận hành máy

- Ngoại trừ một số doanh nghiệp liên doanh, doanh nghiệp 100% vốn nước ngoài trong sản xuất có mặt hàng truyền thống thì chương trình gia công CNC được chuẩn bị trước từ nước ngoài đưa vào còn lại chủ yếu do người vận hành máy lập trình trực tiếp trên máy

- Một số doanh nghiệp chưa thực sự chú ý đến khai thác máy một cách hiệu quả, thời gian máy hoạt động không nhiều

- Việc sử dụng chế độ cắt chủ yếu là theo kinh nghiệm như khi thực hiện gia công trên máy vạn năng nên chưa thể nói là đã hợp lý hay chưa?

Các máy gia công sử dụng kỹ thuật CNC thường được nhập ngoại với giá thành rất cao, chính vì lẽ đó, hiệu quả khai thác sử dụng máy còn hạn chế, giá thành sản phẩm cao vì mức khấu hao lớn

Thực tế đó cho thấy việc nghiên cứu xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất cho các máy CNC nói chung và phay CNC nói riêng là việc làm hết sức cần thiết Trong nội dung bản luận văn này tôi nghiên cứu 1 chuyên đề về sự ảnh hưởng của lực cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công chi tiết trên máy phay CNC

1.3 Nguyên lý gia công điều khiển số CNC

1.3.1 Khái niệm và đặc trưng cơ bản của các máy gia công CNC

Máy gia công CNC (CNC machine tool) là những thiết bị cơ điện tử phức tạp, đắt tiền, hoạt động theo các nguyên lý cơ khí và vật lý kỹ thuật (gia công

tiện, phay, khoan, mài, laser, tia lửa điện, ; đo lường; gá đặt; điều chỉnh, v.v ) và được điều khiển bằng chương trình số (NC Program) với hệ CNC ( Computerized Numerical Control)

Gia công chi tiết cơ khí trên các máy điều khiển theo chương trình số CNC có những đặc điểm sau:

- Mức độ tự động hoá cao, toàn bộ quá trình hoạt động của máy để gia công chi tiết do máy tính điều khiển

- Tốc độ dịch chuyển của bàn máy cao

- Tốc độ quay của trục chính cao và có thể điều chỉnh vô cấp

- Độ chính xác gia công cao (sai lệch kích thước có thể nhỏ hơn 0,001 mm)

- Năng suất gia công cao (có thể gấp 3 lần máy thông thường)

- Tính linh hoạt cao, thích nghi nhanh với sự thay đổi về kết cấu sản phẩm

- Mức độ tập trung nguyên công cao (gia công nhiều bề mặt trong một lần gá đặt)

- Có thể gia công được những bề mặt phức tạp mà các máy khác khó hoặc không thực hiện được (các bề mặt dạng 3D)

- Khả năng thực hiện lặp lại các công việc gia công (chương trình được sử dụng nhiều lần)

- Chuẩn bị công nghệ để gia công trên máy CNC khác với máy thường là phải lập trình NC để điều khiển máy gia công theo ngôn ngữ phù hợp với máy

và tuỳ thuộc vào hệ điều khiển máy (FANUC, HEIDENHAIN, MITSUBISHI, v.v )

- Mức độ tự động hoá cao nên vận hành đơn giản nhưng bảo dưỡng và sửa chữa phức tạp

- Không thích hợp với trình độ sản xuất thấp

- Giá thành cao nên mức khấu hao lớn

Một máy gia công CNC (hay còn gọi là một hệ thống gia công) theo nguyên lý điều khiển số có sáu thành phần cơ bản sau:

Được viết theo ngôn ngữ lập trình của máy thể hiện dưới dạng các số và chữ cái qui ước Hệ CNC có chức năng tạo lập các tín hiệu điều khiển cần thiết cho quá trình gia công như điều khiển trục chính quay, điều khiển cho dao dịch chuyển trong quá trình cắt theo đường thẳng, cung tròn, chu trình phù hợp với biên dạng gia công Ngoài ra hệ CNC còn phải tạo lập các lệnh NC để thực hiện các chức năng khác như thay dụng cụ cắt, đóng mở chất làm mát 2/ Thiết bị nạp chương trình (Program Input Device)

Thiết bị nạp chương trình vào máy thông thường là bàn phím gắn theo máy Các máy gia công hiện đại có thể cho phép nạp chương trình có sẵn vào máy theo đường cáp truyền dữ liệu hoặc đĩa mềm

3/ Hệ điều khiển máy (MCU = Machine Control Unit)

Hệ điều khiển máy hoạt động trên cơ sở phần cứng (hardware) và phần mềm (software) Phần cứng ở đây là hệ điều khiển và lập trình gia công CNC

do các hãng cung cấp như hệ FANUC, MITSUBISHI, HEIDENHAIN Phần mềm điều khiển và lập trình CNC gồm có ba khối chính, đó là : Phần mềm vận hành, phần mềm giao diện, phần mềm ứng dụng

4/ Hệ khởi động ( Drive System)

5/ Máy gia công (Machine Tool), còn gọi là máy công tác như máy tiện, máy phay, máy khoan Đây là các máy gia công thực hiện điều khiển theo chương trình số ở máy CNC, phần lớn các nội dung chuẩn bị công nghệ có thể thực hiện tách rời máy gia công, ví dụ : chuẩn bị công nghệ và lập trình NC

ở văn phòng với sự trợ giúp của máy tính, sau đó truyền tải chương trình NC đã lập và kiểm định tới máy CNC tại xưởng để thực hiện

6/ Hệ phản hồi (Feedback System) Việc dịch chuyển theo trục X, trục Z của dao hay chuyển động quay của trục chính liên tục được xác định Các thông tin đó được hệ phản hồi, phản ánh cho hệ điều khiển trung tâm để bộ xử

lý trung tâm xử lý số liệu và tiếp tục điều khiển đến khi nào đạt giá trị cần thiết theo chương trình thì kết thúc tín hiệu điều khiển đó

Sau khi máy công cụ thông thường được trang bị hệ điều khiển NC, đã xuất hiện rất nhiều những kiểu, loại máy và phương pháp gia công theo định hướng NC Các trung tâm gia công, các máy đột dập, máy LASER và máy tia

lửa điện dùng điện cực dây (Wire EDM) là những ví dụ ứng dụng NC Sau đó

là xu hướng phát triển các máy có thể thực hiện tối đa nhiều phương pháp gia công trên một phôi trong một lần gá Hệ thay dụng cụ, hệ thay bệ/phiến gá phôi tự động và các thiết bị giám sát phối hợp với nhau nâng cao mức độ tự

động hoá của máy Các bộ truyền, các hệ làm mát và các ổ đỡ trục mới ngăn ngừa biến động về độ chính xác do biến dạng nhiệt của hệ thống công nghệ các đường trượt và bộ truyền vít me- đai ốc có chuỗi các viên bi cầu lăn tuần hoàn trên đường ren có độ chính xác cao, không có khe hở Cuối cùng, máy phải có độ cứng vững tĩnh và động tương ứng với giá trị gia tốc cao và tải trọng lớn

1.3.2 Hệ điều khiển máy gia công CNC

1.3.2.1 Các hệ thống điều khiển

* Điều khiển NC: Hệ thống điều khiển NC (Numerical Control ) hiện

nay vẫn còn được sử dụng nhưng không phổ biến Trong hệ thống điều khiển này, các thông số hình học của chi tiết và các lệnh của máy được cho dưới dạng các dãy số

Hệ điều khiển NC có một số nhược điểm là tính linh hoạt kém Khi cần thay đổi cấu hình chi tiết thì phải thay đổi chương trình gia công Việc thay đổi chương trình gia công bằng cách làm mới hoặc sửa lại băng đục lỗ, điều này gây mất thời gian và tốn kém

* Điều khiển CNC: Đặc điểm của điều khiển CNC( Computer Numerical

Control) là có sự can thiệp, hỗ trợ của máy tính Với hệ thống điều khiển này thì trên máy đã có một chương trình hệ thống CNC do nơi sản xuất máy chế tạo, cài đặt vào máy tính kèm theo máy và được bảo vệ dưới một mã nguồn bí mật khiến cho người sử dụng máy không thể can thiệp được

Ưu điểm của hệ điều khiển này là khi cần lập chương trình gia công mới hay sửa chữa chương trình gia công cho phù hợp với sự thay đổi cấu hình sản phẩm được tiến hành ngay trên máy nên rút ngắn thời gian chuẩn bị, giảm bớt chi phí do không phải làm mới hay sửa chữa băng đục lỗ

Hầu hết máy gia công sử dụng kỹ thuật CNC hiện đại còn có màn hình

* Điều khiển DNC: Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical Control) để

biểu thị một hệ thống trong đó có nhiều máy NC được kết nối với một máy tính qua đường truyền dữ liệu Đặc điểm của hệ thống này là cung cấp cho các máy gia công riêng biệt các thông tin điều khiển là các chương trình gia công các chương trình gia công này được lưu trữ trên các đĩa cứng của máy tính và

được gọi ra theo nhu cầu của từng máy gia công Ưu điểm của hệ thống này là

có một thư viện lưu trữ thông tin trung tâm cho biết các thông tin của chương trình, của chi tiết gia công và dụng cụ Khả năng truyền dữ liệu nhanh, tin cậy

Có khả năng ghép nối vào hệ thống gia công linh hoạt

* Điều khiển thích nghi: Các hệ thống điều khiển trên tuy có khả năng

tự động hoá cao nhưng vẫn có những mặt mang tính áp đặt, các chế độ công nghệ được định ra ngay khi lập trình (trước khi gia công) nên đã không phát huy được tối đa hiệu quả hoặc không tránh được sự cố phát sinh trong quá trình gia công, chẳng hạn như khi gặp vùng vật liệu có độ cứng cao hay khi dao mòn, lực cắt tăng lên gây gẫy dao hoặc dừng máy do vượt quá công suất

động cơ

Điều khiển thích nghi (AC – Adaptive Control) là điều khiển tự động quá trình gia công Mục tiêu của điều khiển này là tự động thay đổi các thông số công nghệ theo các ảnh hưởng không thể dự kiến trước trong quá trình gia công như nếu lực cắt tăng lên máy sẽ tự động giảm lượng chạy dao cho phù hợp

1.3.2.2 Các dạng điều khiển

* Điều khiển theo điểm: Là phương thức điều khiển nhanh đồng thời

theo các trục nhằm xác định một vị trí nào đó theo yêu cầu

Tuỳ theo dạng điều khiển, các trục có thể chuyển động kế tiếp nhau ( thực hiện từng trục một – hình1.3a) hoặc tất cả các trục có chuyển động đồng thời, khi đó giữa các trục có thể có hoặc không có quan hệ hàm số Thông thường khi các trục có chuyển động đồng thời thì hướng của hai trục tạo thành góc 450, trục nào hoàn thành trước thì kết thúc dịch chuyển trước, còn trục kia

sẽ tiếp tục thực hiện dịch chuyển dao đến vị trí yêu cầu ( hình 1.3b)

Hình 1.3: Các đường chạy dao trong điều khiển theo điểm

Dạng điều khiển này thường được ứng dụng trong các máy khoan toạ độ, máy đột lỗ, máy hàn điểm tự động

* Điều khiển theo đường thẳng (tuyến tính): Dạng điều khiển này tạo ra

các đường song song với với các trục của máy, trong quá trình dịch chuyển đó, dao cắt gọt liên tục tạo nên bề mặt gia công Như vậy với dạng điều khiển này

ta chỉ có thể tạo ra mặt phẳng song song với từng trục (hình 1.4) Trong trường hợp mở rộng 2 trục của máy chuyển động với tốc độ như nhau thì có thể gia công được bề mặt nghiêng góc 45° trong một mặt phẳng cố định nào đó

(thường là mặt xoy trên máy phay, mặt xoz trên máy tiện)

Hình 1.4: Các đường chạy dao trong chuyển động theo đường

* Điều khiển theo biên dạng (contour): Dạng điều khiển theo điểm, theo

đường có rất nhiều hạn chế khi gia công các bề mặt phức tạp như mặt cong, mặt nghiêng Dạng điều khiển theo contour cho phép khắc phục được các hạn chế này Bằng hình thức điều khiển này, ta có thể tạo ra các contour hoặc

đường thẳng hay đường cong tuỳ ý trong mặt phẳng nào đó hoặc trong không gian Như thế có nghĩa là sẽ có nhiều trục chuyển động đồng thời và các trục

a b

trục được điều khiển đồng thời mà điều khiển theo contour được chia ra làm các loại 2D, 3D, 4D.v.v…

1.3.3 Các trục điều khiển NC (NC axises)

Khái niệm “Trục” trong kỹ thuật gia công NC là hướng chuyển dịch

chính (thẳng hoặc quay) mà theo hướng đó, chuyển động tương đối của dụng

cụ (dao) và phôi gia công được thực hiện và được điều khiển bằng số (điều khiển NC)

Hệ thống toạ độ có quan hệ mật thiết với chi tiết gia công và máy Vì vậy

đối với bất kể máy nào khi lập trình cũng phải thống nhất coi vật là đứng yên còn dụng cụ cắt chuyển động trong quá trình cắt

Đối với các máy gia công CNC nói chung, ngoài các trục chính X, Y, Z còn có thể có các trục sau:

- Các chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z là A, B, C

- Các chuyển động thẳng song song với 3 trục X,Y,Z là U, V, W

- Các chuyển động không bắt buộc phải song song với X,Y,Z là P, Q,

Cần chú ý rằng, khi xác định chiều dương của trục phải theo giả định là dụng cụ cắt luôn luôn chuyển động và phôi gia công luôn luôn đứng im Chiều dương của các trục trong trường hợp này được xác nhận như chiều dương của các chuyển động: +X, +Y, +Z, +A, +B, +C

Trong trường hợp mà phôi gia công chuyển động (như trên máy phay chẳng hạn) thì chiều chuyển động và chiều của trục là ngược nhau Khi bàn mang phôi chuyển động sang phải thì dụng cụ thực hiện chuyển động tương

đối sang trái Trong trường hợp này phải cho chiều thực tế của trục, với địa chỉ

có thêm dấu nháy (‘) ở trên đầu như : +X’, +Y’ Qui định này có ưu điểm là

người lập trình có thể tạo lập các chương trình NC mà không bị lệ thuộc vào cấu tạo của máy Chuyển động tương đối mong muốn giữa dụng cụ và phôi luôn được đảm bảo đúng chiều

1.3.4 Hệ tọa độ và các điểm gốc lập trình gia công CNC quan trọng

Dụng cụ cắt của máy công cụ NC, CNC thực hiện dịch chuyển tuỳ theo dạng máy công cụ, gồm: dịch chuyển thẳng, dịch chuyển theo quỹ đạo cong phức tạp, v,v từ điểm xuất phát, qua nhiều điểm trung gian, đến điểm đích để tạo ra bề mặt chi tiết theo yêu cầu Như vậy, các điểm nằm trong phạm vi không gian làm việc của máy công cụ NC, CNC phải được xác định và định nghĩa chính xác Do đó cần phải có hệ toạ độ máy Hệ toạ độ được xác lập cho

các máy công cụ NC, CNC có thể là toạ độ Đề-các ( Decarde co-ordinate

system), hoặc hệ toạ độ cực (polar co-ordinate system), hoặc hệ toạ độ trụ (cylindrical co-ordinate system) để đáp ứng các yêu cầu gia công khác nhau

Hệ toạ độ máy có quan hệ với các trục điều khiển NC

Để thực hiện được việc điều khiển máy tự động bằng chương trình NC thì trên máy có một số điểm gốc lập trình CNC quan trọng như sau:

Điểm không của máy (M): Điểm không của máy là điểm gốc của hệ thống toạ độ máy Điểm này do nơi chế tạo ra máy đó xác định theo kết cấu

động học của máy, người sử dụng máy phải chấp nhận Ví dụ trên máy tiện CNC có điểm M là giao của tâm trục chính với mặt đầu của trục chính (hình 1.5 a), máy phay CNC có điểm M là đỉnh góc trái phía ngoài của bàn máy( hình 1.5b)

Hình 1.5: Điểm không của máy tiện, phay CNC

Điểm không của chi tiết (W): Điểm không của chi tiết là gốc của hệ

thống toạ độ gắn lên chi tiết Vị trí của điểm W do người lập trình tự do lựa chọn và xác định Song người lập trình cần phải xác định điểm đó sao cho khi tính toán các vị trí điểm trên đường bao chi tiết dễ ràng nhất Đối với máy tiện thường chọn là điểm giao của tâm trục chính với mặt đầu trước hoặc sau của phôi (hình 1.5a) Đối với máy phay thường chọn là góc trên bên trái của phôi (hình 1.5b) hoặc điểm đặc biệt là tâm đối xứng của nhiều bề mặt gia công để cho việc tính toán vị trí toạ độ các điểm trên đường biên dạng gia công được

dễ ràng và thuận lợi cho việc sử dụng chu trình (thường là các lệnh lặp hay chương trình con) khi viết chương trình gia công

Điểm gốc tham chiếu của máy (R): Điểm gốc tham chiếu của máy còn

được gọi là điểm chuẩn của máy hay điểm gốc quay về (reference point

return) Trong quá trình vận hành máy, không thể chạy về điểm M của máy vì:

việc chạy về bị vướng phôi hay cơ cấu kẹp, không thể chạy theo một trục, hay trường hợp ở các máy rất dài, nếu phải thường xuyên chạy về điểm M thì rất tốn thời gian v.v Để thuận tiện và an toàn hơn, đối với các trường hợp này phải có một điểm xác định khác tương đương gọi là điểm gốc Điểm gốc này

có một vị trí xác định trước so với điểm M mà hệ điều khiển nhận biết được

Đây là điểm rất quan trọng trong việc vận hành máy Trước khi cho máy chạy phải thực hiện lệnh cho dao về điểm gốc R Đồng thời trong quá trình gia công phải lưu ý vấn đề sau:

- Khi bắt đầu sử dụng máy, gá dao xong phải cho máy trở về điểm R trước khi thực hiện đo kích thước dao

- Khi đang sử dụng máy mà bị sự cố mất điện thì các giá trị thực tế về vị trí dao, bàn trượt bị mất, do vậy khi tiếp tục vận hành phải chạy dao về điểm R

Điểm gốc chương trình (Po): Điểm gốc của chương trình là điểm mà dụng cụ cắt sẽ ở đó trước khi gia công và sau khi kết thúc gia công một chi tiết trong sản xuất loạt Điểm này do người lập trình tự do lựa chọn, nhưng cần chú

ý đảm bảo:

- Khi tháo, gá lắp phôi không bị vướng

- Khi thay dao (đối với máy tiện) không bị va dao vào máy hay chi tiết gia công

Điểm không của dao(E), điểm cắt của dao (P): Để điều khiển lưỡi cắt của dao dịch chuyển theo quỹ đạo gia công đảm bảo chính xác cần phải có

điểm gốc đó là điểm không của dao hay còn gọi là điểm kiểm tra dụng cụ E (hình 1.6)

Hình 1.6: Điểm gốc và điểm cắt của dao

Kích thước của dao được đo kiểm chính xác trên thiết bị đo của máy Trị

số đo (X, Z - đối với máy tiện; R,Z- đối với máy phay hay trung tâm gia công)

được nạp vào bộ nhớ của hệ điều khiển, dữ liệu đó được dùng trong suốt quá trình gia công Điểm cắt của dao P (hình 1.6) là điểm đỉnh dao thực hay lý

thuyết

1.3.5 Chu trình và chương trình con

Chu trình (Cycle) là những quá trình gia công NC, CNC có tính chất lặp

lại thường xuyên, được chuẩn bị ở dạng các chương trình NC thứ cấp Các chương trình thứ cấp này được lưu giữ trong hệ điều khiển của máy và có thể truy cập để sử dụng cho nhiều chương trình chính khi cần thiết

Chu trình có cấu tạo tương tự như vĩ lệnh (macro) được dùng phổ biến

theo tiêu chuẩn quốc tế (ISO) hoặc chuyên dụng theo từng hãng cung cấp máy

điều khiển số

Chu trình được phân chia như sau: Chu trình khoan (ví dụ G80, , G89), chu trình tiện (ví dụ G70, G71, G72, G90, G91, G92, G94, ), chu trình phay

Chương trình chính

G00 X Y Z

gọi chương trình con vào thực hiện

Thực hiện xong ra khỏi chương trình

Tiếp tục chương trình chính

Gọi chương trình con vào thực hiện

Thực hiện xong ra khỏi chương trình

M30 ( kết thúc chương trình)

Chương trình con cũng có thể coi là một chương trình thứ cấp Chương trình con là một đoạn chương trình bao gồm các câu lệnh về gia công Chương trình con được viết riêng và có ký hiệu của riêng nó Khi cần có thể gọi vào thực hiện trong chương trình chính bất kỳ lúc nào, sau khi thực hiện xong nó tự

chương trình con

Khi sử dụng chương trình con cần lưu ý một số vấn đề sau:

- Thường chỉ dùng khi cần gia công ở nhiều vị trí có biên dạng gia công giống nhau Việc chọn điểm gốc chi tiết ( điểm W) phải được xem xét kỹ và nên chọn ở điểm đặc biệt

- Phải dùng kèm theo việc chuyển đổi gốc toạ độ hoặc lập trình theo kích thước tương đối

1.3.6 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng máy gia công CNC

Quyết định đầu tư mua sắm và sử dụng máy NC, CNC trong sản xuất dựa trên giá trị hiệu quả kinh tế do loại máy này mang lại so với máy thường như sau:

Q = [(C1 + EK1) – ( C2 + EK2)] N [đ/năm] [18] Trong đó:

Q – Hiệu quả kinh tế (lãi, lợi nhuận, giá trị tiết kiệm được trong sản xuất) C1 – Giá thành công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên máy thường (đ/chi tiết)

C2 – Giá thành công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên máy NC, CNC (đ/chi tiết)

E - Đại lượng nghịch đảo của thời hạn hoàn thành vốn mua máy ( ví dụ nếu thời hạn hoàn vốn là 5 năm thì E = 1/5)

K1 – Chi phí đầu tư cho máy thường (đ/chi tiết)

K2 – Chi phí đầu tư cho máy NC, CNC (đ/chi tiết)

N – sản lượng của chi tiết cần gia công (chi tiết/năm)

Chi phí về công nghệ (C1, C2) để gia công chi tiết cơ khí thường được xác định theo các chi phí thành phần như sau:

- Lương cho thợ vận hành máy

- Chi phí về điện năng

- Chi phí bảo dưỡng, sửa chữa

- Chi phí khấu hao nhà xưởng

- Chi phí dụng cụ cắt, dụng cụ kiểm tra

- Chi phí về lập trình và chuẩn bị công nghệ

Như vậy, phương án đầu tư sử dụng máy gia công NC, CNC trong sản xuất chỉ thật sự có ý nghĩa khi giá trị Q lớn hơn 0

Hiện nay, rất nhiều doanh nghiệp trong nước đã mua máy NC, CNC để sản xuất mà chưa có sự tính toán hiệu quả một cách khoa học nên hiệu quả còn hạn chế Một vấn đề đặt ra là muốn nâng cao hiệu quả sử dụng máy thì có rất nhiều phương án, trong đó việc giảm chi phí về công nghệ là một trong những phương án quan trọng Muốn vậy thì việc nghiên cứu để sử dụng tối đa hiệu suất của máy CNC phải được quan tâm bởi vì nó sẽ giảm được rất nhiều chi phí như tiền lương , điện, khấu hao, chi phí dụng cụ

CHƯƠNG 2: HIỆN TƯỢNG RUNG ĐỘNG TRONG GIA CÔNG CẮT

GỌT 2.1 Khái niệm về ổn định và mất ổn định của quá trình cắt gọt khi xuất hiện rung động

Sau đây là định nghĩa về ổn định đã được khái quát bởi David A.Stephenson và John Agapiou:

◊ Một quá trình cắt được gọi là mất ổn định khi xuất hiện rung động ngày càng tăng, khi đó dụng cụ cắt có thể rung động với biên độ ngày càng tăng hoặc dần dần rời xa vị trí cân bằng cho đến một giới hạn xác định

◊ Một quá trình cắt được gọi là ổn định khi dụng cụ cắt bị kích thích sẽ tiến đến một vị trí cân bằng dưới dạng một dao động tắt dần hoặc tiến đến một mức dao động nào đó ít hơn

◊ Một hệ thống được gọi là mất ổn định tĩnh học nếu nguyên nhân gây

ra rung động là những lực kích thích phụ thuộc vào vị trí

◊ Một hệ thống được gọi là mất ổn định động lực học nếu những lực kích thích gây rung động phụ thuộc vào vận tốc

Hình 2.1 Phân biệt trạng thái ổn định và mất ổn định

a) Ổn định b) Mất ổn định

2.2 Các thông số đầu vào của quá trình khảo sát rung

Dao động được mô tả là sự chuyển động của một phần tử hoặc một vật thể quanh vị trí cân bằng, hay còn gọi là vị trí quy chiếu Đối với một máy quay, vị trí cân bằng này tương ứng với vị trí máy lúc chưa vận hành

Nếu chuyển động tương tự lặp lại giống hệt sau mỗi chu kỳ ta có hiện tượng chuyển động tuần hoàn Dạng đơn giản nhất của chuyển động tuần hoàn

là chuyển động điều hòa

Dao động thường được diễn tả bằng nhiều cách thức khác nhau như chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc

2.2.1 Chuyển vị

Chuyển vị càng lớn khi tần số rung động càng nhỏ Chuyển vị chỉ

đáng kể ở tần số thấp Do đó việc đo chuyển vị thường ít sử dụng trong việc giám sát rung động Chuyển vị biểu hiện mức độ mất cân bằng của máy, nên

nó là thông số chủ đạo cho việc khảo sát cân bằng

Ta xét chuyển động của một ổ trục dưới tác động của một roto không cân bằng Từ một số điều kiện nào đó ta có thể mô hình hóa sự mất cân bằng này qua hình ảnh một khối lượng tại một điểm trên chu vi của trục như minh họa trong hình 2.2(a)

ChuyÓn vÞ

Thêi gian

Khèi l−îng mÊt c©n b»ng

Lùc mÊt c©n b»ng

4

1

2

1 2

4 3

a) b)

Hình 2.2 Thí dụ về tín hiệu dao động điều hòa

a) Vecto chuyển động b) Đồ thị chuyển động

Khi trục được khởi động quay, khối lượng mất cân bằng sẽ tác động một lực ly tâm lên ổ trục, như vậy ổ trục phải chịu một sự chuyển động cưỡng bức Chuyển động đó khi chiếu lên tọa độ chuyển vị theo thời gian sẽ có dạng như trong hình 2.2(b) Trong hình này, những điểm từ 1 đến 4 tương ứng với những điểm mà khối lượng mất cân bằng, sau một vòng quay, đi qua các vị trí

từ 1 đến 4 như đã ghi trong hình 2.2(a) Ta có thể thấy sau mỗi vòng quay của

roto, chuyển động của ổ trục sẽ lặp lại giống hệt như trước Đó chính là ví dụ

về chuyển động tuần hoàn

Về mặt toán học người ta miêu tả chuyển động tuần hoàn bằng phương

Hình 1.1(b) cho thấy chu kỳ chuyển động – ở đây là một vòng quay của

roto – là T, nghĩa là chuyển động được lặp lại khi t = T, và có đơn vị là giây

(s)

Ngược lại với chu kỳ là tần số

T

f = 1, đơn vị đo tần số là Hz

Tần số góc ω được đo bẳng đơn vị rad/s

Biểu thức quan hệ giữa các đại lượng trên:

T f

= (1.2)

2.2.2 Vận tốc

Vận tốc rung động có mối quan hệ đơn giản với năng lượng rung

động Năng lượng rung động phát ra bị tiêu tán bên trong máy do sự va chạm

giữa các bộ phận rung Các lực va chạm này làm tăng nhiệt độ và tốc độ mài

mòn Do đó làm tăng khoảng hở giữa các bộ phận bị rung và rung động càng

trở nên nghiêm trọng Tổng năng lượng phát ra tỷ lệ với giá trị mức quân

phương (RMS) Do đó đo vận tốc rung động cho biết mức độ mài mòn hiện

tại và dự đoán được mức độ mài mòn tiếp theo sau đó

Vì vận tốc của dao động tương ứng với mức độ thay đổi của chuyển vị

theo thời gian, dao động cũng có thể được biểu thị qua đại lượng vận tốc

π

dx

2.2.3 Gia tốc

Gia tốc rung động càng lớn khi tần số rung động càng cao, vì vậy nó

được dùng để kiểm tra những rung động có tần số cao Từ tín hiệu gia tốc có thể suy ra hai thông số còn lại của rung động một cách chính xác thông qua

bộ tích phân

Gia tốc là mức độ thay đổi của vận tốc theo thời gian, được diễn tả bằng công thức sau:

) sin(

) cos(

để đo các thông số rung động cho các mục đích thích hợp

2.2.4 Quan hệ giữa các thông số

X ωX

Hình 2.3 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của cùng một chuyển động

a) Các vecto chuyển vị, vận tốc, gia tốc b) Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc

Từ những phương trình trước ta thấy rõ là dạng và chu kỳ dao động của chuyển vị, vận tốc và gia tốc đều giống nhau; tuy nhiên biên độ của mỗi thông số là khác nhau và sự khác biệt chủ yếu là pha của các

thụng số này lệch nhau Cụ thể là vận tốc đi trước chuyển vị gúc pha π/2, gia tốc đi trước vận tốc gúc pha π/2, nghĩa là gia tốc đi trước chuyển vị gúc pha π Hỡnh 2.3 cho ta thấy đồ thị của chuyển vị x(t), vận tốc v(t), gia tốc a(t) của cựng mộtchuyển động

2.3 Phõn loại rung động

Theo nguyờn nhõn xuất hiện và đặc trưng của qỳa trỡnh rung động đồng thời theo bản chất vật lý ta cú thể phõn biệt ba loại rung động sau:

- Lực cắt gọt không đều do cắt gọt gián đoạn

- Rung động bờn ngoài truyền qua múng mỏy Loại hỡnh dao động cưỡng bức này trong thực tế xuất hiện khỏ thường xuyờn Ảnh hưởng của chỳng đến quỏ trỡnh cắt tỏc động đến chất lượng nhiều hơn là đến kinh tế Nguồn tạo dao động cú thể là mỏy bỳa, mỏy cụng cụ cú chuyển động khứ hồi khụng cú cỏc cơ cấu chủ động cõn bằng (mỏy bào, xọc, mài, chuốt…) hoặc cỏc mỏy khỏc (mỏy nộn khớ, mỏy bơm…)

- Nhiễu bờn trong của hệ thống cụng nghệ do cỏc chi tiết quay khụng cõn bằng, cỏc bộ truyền động ăn khớp được chế tạo khụng chớnh xỏc hoặc đó

m

c

x F(t)

độ hay khi hóm cỏc bộ phận cú khối lượng lớn hoặc do lực cắt biến đổi khi cắt

vào cỏc bề mặt giỏn đoạn…

Bài toỏn rung động cưỡng bức được giải nhờ đưa về mụ hỡnh tổng quỏt

như (hỡnh 2.4) và phương trỡnh vi phõn như sau:

)

(t

F kx x

x - chuyển vị của phần tử dao động

x& - vận tốc của phần tử dao động

x&& - gia tốc của phần tử dao động

F(t) - ngoại lực cưỡng bức

Hỡnh 2.4 Mụ hỡnh dao động cưỡng bức

Đặc điểm của rung động cưỡng bức là hệ thống cụng nghệ sẽ rung động

với tần số của lực kớch thớch và rung động sẽ xuất hiện với biờn độ rất lớn khi

tần số kớch thớch xấp xỉ tần số dao động riờng của hệ Khi trường hợp đú xảy

ra, ta cú hiện tượng cộng hưởng dao động

Cỏc rung động cưỡng bức trong phần lớn cỏc trường hợp cú thể làm

giảm thiểu hoặc khử bỏ bằng cỏch khử nguồn gõy kớch thớch hoặc làm thay đổi

tần số kớch thớch đối với những kớch thớch cú tớnh chu kỳ sao cho tần số của nú

khụng gần với tần số riờng của hệ và khi đú nú khụng cũn là nguyờn nhõn gõy

mất ổn định như: Tăng độ cứng vững máy, đồ gá, giảm thiểu đường truyền

trong xích truyền động, nâng cao độ chính xác khi chế tạo phôi, đặt những

máy khi làm việc có độ rung động lớn: dập, đột, rèn xa những máy làm việc

chính xác

2.3.2 Dao động riờng

Dao động riờng là dao động đặc trưng cho hệ thống và liờn quan tới hệ

lực trong bản thõn hệ đú Nú là dao động phỏt sinh do sự va đập, chẳng hạn

như khi đúng ly hợp, khi dụng cắt bắt đầu vào cắt Dao động riờng thực chất là

rung động cưỡng bức khi lực kớch thớch cú dạng xung Ảnh hưởng của nú núi

m c

x

chung là không đáng kể vì dao động riêng là một dao động tắt rất nhanh Nó chỉ có ý nghĩa khi có liên quan đến việc xác định đặc tính của quá trình dao động

Dao động riêng tự duy trì bằng tác dụng của lực đàn hồi Chu kỳ và tần

số không phụ thuộc vào độ lệch ban đầu và tốc độ ban đầu của phần tử dao động Phương trình vi phân chuyển động của dao động riêng có dạng:

0

= +

x - chuyển vị của phần tử dao động

x&& - gia tốc của phần tử dao động Hình 2.5.Mô hình dao động tự do

Tần số dao động của dao động riêng không tắt dần của hệ bất kỳ có

thể được tính theo công thức sau:

ổn định Nguyên nhân của tự rung đã được nhiều công trình đề cập đến và có thể tóm tắt như sau:

• Do biến động của lực cắt mà sự biến động đó là sự biến động của tốc

độ cắt hoặc của tiết diện lớp cắt

• Do thay đổi lực ma sát ở mặt trước và mặt sau của dao

• Do hệ số ma sỏt trờn sống trượt của mỏy thay đổi theo vận tốc chuyển động của bàn mỏy

• Do sự hỡnh thành và phỏ hủy của lẹo dao

• Do sự khụng đồng nhất trong thành phần vật liệu phụi

• Do hiệu ứng tỏi sinh

• Do liờn kết vị trớ

Đặc điểm của tự rung:

• Biờn độ rung động tăng theo thời gian cho đến một giỏ trị tới hạn xỏc định

• Tần số rung động bằng tần số tự nhiờn của hệ hoặc gần với tần số tự nhiờn của một số yếu tố của hệ

• Năng lượng của rung động là năng lượng của bản thõn quỏ trỡnh cắt chứ khụng phải do ngoại lực cung cấp Khi khả năng giảm chấn của mỏy khụng đủ để hấp thụ hết phần năng lượng này thỡ tự rung sẽ tăng mạnh gõy mất ổn định

Trờn hỡnh 2.6 ta cú thể thấy sự khỏc nhau giữa rung động cưỡng bức với tự rung và điều kiện để tự rung gõy mất ổn định Khi chiều sõu cắt t đạt đến giỏ trị tới hạn tk thỡ biờn độ tự rung tăng đột ngột gõy mất ổn định

Hỡnh 2.6 Phõn biệt rung động cưỡng bức và tự rung

Tự rung ảnh hưởng rất lớn đến quá trình gia công cắt gọt, tần số của nó phụ thuộc vào phương pháp gia công, tình trạng mài mòn của dụng cụ Khi phay tần số rung động tự rung khoảng từ 23 - 212Hz Cần chú ý nữa là biên độ tự rung thường tăng lên theo tình trạng mài mòn của dụng cụ cắt

2.4 Các nguyên nhân gây lên rung động

Có nhiều nguyên nhân khác nhau gây rung động cho thiết bị, máy và hệ thống sản xuất như:

− Chiều sâu cắt không đều

− Sự xuất hiện lẹo dao

Dưới đây đề cập đến một số nguyên nhân chính gây ra rung động, từ

đó có thể phát hiện và đưa ra các giải pháp loại bỏ hoặc làm giảm bớt các rung động này

2.4.1 Mất cân bằng

Sự phân bố khối lượng không đồng đều trên bộ phận quay gây nên mất cân bằng Sự phân bố khối lượng không đồng đều được mô hình hóa tại một điểm và được gọi là đốm nặng

Giá trị mất cân bằng = trọng lượng mất cân bằng × khoảng cách từ

tâm quay đến vị trí trọng lượng mất cân bằng

Hoặc:

Hình 2.7 Đốm nặng gây ra mất cân bằng