NGHIÊN cứu ẢNH HƢỞNG của lực cắt đến TUỔI bền DAO PHAY cầu KHI GIA CÔNG THÉP hợp KIM CỨNG SAU NHIỆT LUYỆN

HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA LỰC CẮT ĐẾN TUỔI BỀN DAO PHAY CẦU KHI GIA CÔNG THÉP HỢP KIM CỨNG SAU NHIỆT LUYỆN Nguyễn Tài Hoài Thanh, Dƣơng Văn Ngụy Học viện Kỹ thuật Qn TĨM TẮT: Q trình gia cơng phay có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia cơng Trong đó, lực cắt có ảnh hưởng lớn đến nhiệt cắt, q trình mòn dụng cụ yếu tố ảnh hưởng đến độ xác gia cơng Bài báo trình bày kết nghiên cứu xây dựng hệ thống đo phân tích lực cắt phay thép hợp kim cứng 40X qua dao phay cầu gắn mảnh cắt hợp kim Lực cắt q trình gia cơng đo trực tuyến thiết bị đo lực ba chiều hãng Kistler, tuổi bền dụng cụ xác định thông qua lượng mòn mặt sau đo kính hiển vi điện tử Dữ liệu từ thiết bị đo lực thu thập, xử lý lọc nhiễu phân tích thành biểu đồ lực tổng hợp theo ba thành phần Thông qua việc phân tích độ lớn độ biến thiên lực cắt, ta nghiên cứu ảnh hưởng lực cắt đến q trình mòn dụng cụ hệ thống giám sát trực tuyến Kết nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng việc đảm bảo nâng cao suất, chất lượng sản phẩm tiết kiệm chi phí vật liệu tiêu hao q trình sản xuất thực tế Từ khóa: lực cắt, dao phay cầu, tuổi bền dụng cụ, máy CNC năm trục GIỚI THIỆU Nghiên cứu lực cắt trình gia cơng có ý nghĩa quan trọng yếu tố ảnh hưởng định đến nhiệt cắt, trình mòn dụng cụ, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt độ xác gia cơng Ngày nay, ứng dụng máy công cụ điều khiển số (CNC) lĩnh vực gia công kim loại phát triển rộng rãi, nhiều chi tiết cần gia công có bề mặt cong phức tạp làm từ loại vật liệu khó gia cơng như: thép hợp kim, thép dụng cụ, thép không gỉ, thép qua tơi, có độ cứng thơng thường khoảng 58÷68 HRC [1] Trong thực tế, dao phay cầu sử dụng rộng rãi để gia công bề mặt dạng tự khuôn mẫu, cánh quạt, chân vịt chi tiết hàng khơng Do đó, q trình gia cơng gặp nhiều khó khăn, thời gian gia cơng kéo dài làm cho giá thành sản phẩm cao nên để giảm thiểu sai số nâng cao chất lượng chi tiết gia cơng cần thiết có hệ thống giám sát lực cắt để phát lưỡi cắt bị mòn, gãy phát va đập Nếu tín hiệu đo sử dụng để tự động hiệu chỉnh linh hoạt thơng số q trình gia cơng giúp tăng Trang 112 suất, tiết kiệm chi phí nâng cao độ xác chất lượng bề mặt gia công Do đặc trưng cấu tạo dao phay cầu, điểm tiếp xúc lưỡi cắt chi tiết gia cơng thay đổi liên tục nên ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt, yếu tố ảnh hưởng nhiều đến độ xác chi tiết điều kiện cắt dụng cụ Nhiều mơ hình dự đốn lực cắt cho dao phay cầu xây dựng: theo phương pháp Z-Map cải tiến [2], trực tiếp từ đường chạy dao CAM [3], sở phân tích hình học [4], nhiên độ xác dự đốn lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố tác động gia công Sau này, phát triển thiết bị đo đại cho phép tiến hành thí nghiệm đo lực cắt q trình gia cơng với độ xác cải thiện đáng kể Các nghiên cứu mối quan hệ lực cắt tuổi bền dụng cụ phay cho thấy lực cắt tổng hợp lực: hình thành phoi cọ xát mòn mặt sau Khi dụng cụ mòn mặt sau, lực ma sát vùng phân giới dụng cụ - phôi diện tích tiếp xúc vùng mòn tăng, kết làm tăng đáng kể lực cắt Biểu đồ quan hệ lực cắt HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM – thời gian cắt nghiên cứu Yujing Sun [5] Liang Tan [6] cho thấy lực cắt tổng hợp thay đổi theo thời gian cắt giống quy luật thay đổi lượng mòn mặt sau (Hình 1) máy phay Hệ thống đo lực cắt (Hình 2) gồm phần tử chính: dao phay cầu, chi tiết gia công, đo lực ba thành phần, khuếch đại, chuyển đổi tương tự - số máy tính thu thập xử lý liệu 2.1 Thiết bị đo lực Hình Biểu đồ lực cắt – thời gian cắt thí nghiệm Yujing Sun THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐO LỰC CẮT KHI PHAY Việc thực đo lực trực tiếp q trình gia cơng triển khai gặp nhiều vấn đề trở ngại như: bố trí thiết bị đo lực khơng làm ảnh hưởng đến thông số gia công, đảm bảo đủ cứng vững chi tiết gia công, hoạt động điều kiện có dung dịch trơn nguội phoi tạo gia công Một số nghiên cứu nước thiết kế chế tạo hệ thống giám sát lực cắt q trình gia cơng nhằm giám sát tình trạng dụng cụ bị mòn phá hủy, phát tình trạng va đập, đồng thời xây dựng phần mềm hiển thị giám sát lực cắt máy tính [7] Tuy nhiên, hệ thống bàn đo cồng kềnh, độ cứng vững khơng cao chưa đạt độ xác đo theo yêu cầu nên khó ứng dụng sản xuất thực tế Khuyếch Khuếch đại5233A1 5233A1 đại Bàn đo Chi tiết 9257BA gia công Dao phay Fx Fy Fz Bộ chuyển đổi ADC USB-6002 Máy tính - Thu thập liệu - Phần mềm phân tích lực Hình Sơ đồ hệ thống đo lực cắt Với trang bị có phòng thí nghiệm đơn vị, thiết bị đo lực ba thành phần hãng Kistler đảm bảo điều kiện trên, kết nối thu thập liệu đơn giản, dễ bố trí gá đặt bàn Thiết bị đo lực cắt máy CNC sử dụng bàn lực kế kiểu áp điện hãng Kistler mã hiệu 9257BA với thông số kỹ thuật nêu Bảng Đây thiết bị cho phép đo đồng thời lực thành phần Fx, Fy Fz thông qua cụm cảm biến áp điện bố trí bên bàn đo Bàn đo lực chế tạo thành khối cứng vững, mặt bàn đo có lỗ ren M8 cách 25 mm nhằm dễ dàng gá lắp chi tiết gia cơng Tín hiệu đo lực từ cụm cảm biến áp điện kết nối với khuếch đại 5233A1 (thiết bị kèm) sau chuyển đổi thành tín hiệu điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với giá trị lực đo theo khoảng đo đặt trước Thiết bị có ưu điểm: độ cứng vững cao, thiết kế gọn nhẹ, đơn giản gá lắp, khoảng đo rộng độ xác cao Chính thiết bị sử dụng rộng rãi nhiều thí nghiệm ứng dụng sản xuất thực tế Bảng Thông số kỹ thuật đo lực Thông số Bàn đo lực 9257BA Fx, Fy lớn Fz lớn Đơn vị Giá trị kN kN -5… +5 -5… +10 10.0 5.0 ±1 >1 >2 Độ nhạy Fx, Fy mV/N Độ nhạy Fz mV/N Độ tuyến tính % Độ cứng Cx, Cy kN/µm Độ cứng Cz kN/µm Bộ khuếch đại 5233A1 Số kênh đo Lựa chọn khoảng đo Điện áp V -5… +5 2.2 Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số Tín hiệu đầu đo lực dạng điện áp nên cần thiết phải chuyển đổi thành tín hiệu số để thu thập xử lý thông qua phần mềm máy tính Bộ chuyển đổi tương tự - số sử dụng có mã USB-6002 hãng National Instrument Thiết bị cấu hình kênh đầu vào đơn kênh đầu vào vi sai với Trang 113 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM trở kháng đầu vào ≥1000 MΩ Điện áp đầu vào cho phép từ -10V đến 10V hồn tồn tương thích với giải điện áp đo lực Thiết bị chuyển đổi kết nối với máy tính thơng qua đường truyền USB, cho khả lấy mẫu tối đa 50 kS/s Trên máy tính, liệu thu thập cơng cụ lập trình phần mềm DASYLab (hãng Dasytec Đức), lưu trữ liệu thành tệp tin dạng ký tự Mỗi gói liệu thu thập gồm thơng tin: Thời điểm lấy mẫu – Giá trị kênh Fx – Giá trị kênh Fy – Giá trị kênh Fz, tốc độ lưu mẫu 1000 mẫu/giây 2.3 Phần mềm phân tích kết đo lực Nhóm nghiên cứu xây dựng phần mềm phân tích lực phục vụ cho trình thực nghiệm làm cơng cụ cho nghiên cứu sau Phần mềm lập trình ngơn ngữ Visual C++ nên tận dụng mạnh xử lý tính tốn khối lượng liệu lớn Giao diện phần mềm gồm: hình hiển thị lực thành phần theo thời gian, giao diện nhập thơng số cài đặt phân tích lực, quản lý lưu trữ liệu xuất in kết (Hình 3) Dữ liệu đo lực sau thu thập trước tiên xử lý lọc nhiễu, loại bỏ giá trị đo bất thường Sau tiến hành quy “0” nhằm loại bỏ ảnh hưởng trọng lượng chi tiết gia công lên ba lực thành phần Fx, Fy Fz phơi gia cơng gá nghiêng phay dao phay cầu Phân tích độ lớn lực cắt trung bình cần phải đặt giá trị hạn biên cho trình đo từ lúc bắt đầu cắt hết tuổi bền dụng cụ Ngồi ra, phần mềm có khả giám sát trực tuyến q trình gia cơng kết nối với hệ thống đo lực THỰC NGHIỆM Thực nghiệm tiến hành máy phay CNC năm trục U620 (hãng Spinner – Đức), với ba trục tịnh tiến hai trục quay B C bàn máy Dụng cụ cắt thử nghiệm chọn dao phay cầu gắn mảnh hợp kim có hai lưỡi cắt hãng Threadex Số hiệu mảnh cắt BNR-16MMCB đường kính 16 mm, vật liệu lớp phủ TiAlN Với đặc điểm công nghệ chế tạo cho phép tối Trang 114 ưu hoạt động gia công: hoạt động cắt êm dịu, giảm va đập, giảm ứng suất bề mặt, giảm nhiệt cắt cải thiện chất lượng bề mặt Chuôi dao chọn có số hiệu BNEM-0625-6250-SS phù hợp với chủng loại mảnh cắt lựa chọn Phôi gia công vật liệu thép hợp kim 40X qua nhiệt luyện đạt độ cứng trung bình khoảng 48 HRC, kích thước hình hộp chữ nhật 210 mm x 180 mm x 30 mm Hai mặt phôi mài phẳng sau nhiệt luyện nhằm giảm ảnh hưởng đến chiều sâu cắt q trình gia cơng thực nghiệm Phơi gá cân chắn bàn lực kế bu lông M8 thông qua lỗ bậc gia công từ trước Bốn thông số gia công đầu vào lựa chọn sở nghiên cứu trước nhóm tác giả [8] sau: tốc độ cắt, chiều sâu cắt, lượng tiến dao góc nghiêng trục dao Chế độ cắt thiết lập dựa vào bảng tra sổ tay công nghệ, theo khuyến cáo nhà sản xuất dụng cụ tham khảo kinh nghiệm vận hành máy sở gia cơng uy tín Giá trị thơng số gia cơng ứng với mức cho Bảng Tiến hành gia công điều kiện không sử dụng dung dịch trơn nguội mà sử dụng khí nén làm mát thổi phoi khỏi vùng cắt Thơng số đầu lựa chọn để xác định giá trị tuổi bền dụng cụ lượng mòn mặt sau giá trị lực cắt thông qua hệ thống đo thiết lập Bảng Giá trị mức thông số đầu vào Mứ Mức c2 Tốc độ cắt (m/ph) 190 220 0.2 Chiều sâu cắt (mm) 0.2 0.3 Lượng tiến 0.1 0.1 0.2 (mm/răng) Góc nghiêng (độ) 10 20 30 Với số lượng yếu tố mức lựa chọn, theo phương pháp Taguchi cần tiến hành thí nghiệm, phân bố giá trị thơng số thí nghiệm theo bảng trực giao L9 (Bảng 3) Thông số gia công Mứ c1 160 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Phần mềm thu thập xử lý liệu lực cắt Bảng 3: Thực nghiệm theo mảng trực giao L9 Thứ tự thí nghiệm Thông số đầu vào điều khiển vc ap fz  160 0.2 0.1 10 160 0.25 0.15 20 160 0.3 0.2 30 190 0.2 0.15 30 190 0.25 0.2 10 190 0.3 0.1 20 220 0.2 0.2 20 220 0.25 0.1 30 220 0.3 0.15 10 Do thí nghiệm phải tạo góc nghiêng trục dao bề mặt phơi gia cơng từ 100 ÷ 300, để đảm bảo chiều sâu cắt không bị ảnh hưởng sai số gá đặt nên liệu đo lực thu thập từ lượt gia công lần thứ hai trở Sau hành trình chạy dao 1000 mm, ta tiến hành đo lượng mòn mặt sau lưỡi cắt kính hiển vi điện tử nhằm xác định trạng thái mòn dụng cụ Dao đo lượng mòn hai lưỡi cắt sau lấy giá trị lượng mòn trung bình Tiêu chuẩn ISO 8688 – 2/1989 quy định tuổi bền dao phay, giá trị mòn tiêu chuẩn VB = 0.3 ÷ 0.5 mm lượng mòn mặt sau cho phép (giá trị 0.3 mm áp dụng cho phay tinh 0.5 mm áp dụng cho phay thơ) Do đó, lượng mòn mặt sau đạt giá trị ≥ 0.3 mm mòn (mòn đồng dạng) ≥ 0.5 mm mòn bất thường, thời điểm dụng cụ hết tuổi bền Dữ liệu đo lực liên tục thu thập lưu vào nhớ máy tính với tần số 1000 mẫu/giây Chương trình gia cơng lập trình phần mềm NX Unigraphic (hãng Siemens – Đức) Các đường chạy dao lập trình theo dạng quét (raster) theo phương ngang Đường chạy dao lập trình có hành trình chạy khơng bên ngồi trước tiếp cận vào phơi để tránh tượng va đập, đồng thời tránh ảnh hưởng dừng gia cơng để đo lượng mòn lưỡi cắt Bảng 4: Giá trị tuổi bền dao phay cầu Thứ tự Giá trị Thứ tự Giá trị thí tuổi bền thí tuổi bền nghiệm (phút) nghiệm (phút) 51 121 132 106 55 124 209 86 101 Sau thực xong thí nghiệm, vào giá trị đo lượng mòn mặt sau (Hình 4) so sánh với lượng mòn giới hạn, ta xác định giá trị tuổi bền dụng cụ thí nghiệm cho Bảng Sử dụng phần mềm phân tích kết đo lực xác định giá trị lực cắt trung bình thời điểm đo lượng mòn mặt sau dụng cụ nhằm xác định biểu đồ lực cắt theo thời gian gia công Tuy nhiên khuôn khổ báo có hạn, khơng thể trình bày tồn phân tích lực cắt thí nghiệm, nên xét thí nghiệm số (trường hợp giá trị tuổi bền nhỏ T = 51 phút) thí nghiệm số (trường hợp giá trị tuổi bền cao T = 209 phút) Biểu đồ lực cắt thành phần thu thập thời điểm đo lượng mòn mặt sau dao cắt thí nghiệm cho Hình Trang 115 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Ảnh chụp mòn mặt sau mảnh cắt dao phay cầu thí nghiệm 200 600 500 300 Fy 200 Fz LỰC (N) Fx LỰC (N) 150 400 Fx 100 Fy Fz 50 100 0 20 40 THỜI GIAN (PHÚT) Hình Biểu đồ lực cắt ứng với vc=160 (m/ph); ap= 0.20 (mm); fz=0.10 (mm/răng); β=10 KẾT LUẬN Thông qua thí nghiệm kiểm tra mối quan hệ lực cắt tuổi bền dao phay cầu, ta thấy giá trị tuổi bền dụng cụ biến động lớn (Bảng 4) giá trị lực cắt sau phân tích khác phụ thuộc vào thông số công nghệ rõ nét Quan sát hai biểu đồ lực cắt – thời gian cắt, ta rút số kết luận sau: - Khi phay tinh dao phay cầu lực dọc trục Fz có giá trị trội độ lớn lượng biến thiên so với hai lực thành phần Fx Fy Trang 116 60 50 100 150 THỜI GIAN (PHÚT) 200 Hình Biểu đồ lực cắt ứng với vc=190 (m/ph); ap = 0.20 (mm); fz =0.15 (mm/răng); β=30 - - Độ lớn lực dọc trục Fz phụ thuộc nhiều vào góc nghiêng trục dao, góc nghiêng lớn giá trị Fz nhỏ Điều lý giải vùng tiếp xúc dao-phoi phân bố gần đỉnh dao cầu góc nghiêng nhỏ làm vận tốc cắt giảm gần “không” Gây tượng trượt chiều dày phoi không đảm bảo Độ biến thiên đường đồ thị lực cắt có nét tương đồng với đường đồ thị lượng mòn mặt sau lưỡi cắt, dốc gần đến thời điểm hết tuổi bền dụng cụ HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Đó dấu hiệu để phán đốn tình trạng mòn mẻ, gãy dụng cụ cắt Mở hướng xây dựng hệ thống giám sát trực tuyến lực cắt q trình gia cơng nhằm hiệu chỉnh lại thông số công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO Davim, J Paulo Machining of Hard Materials, Springer, 225 (2011) Wei, Z C., et al Prediction of cutting force in ball-end milling of sculptured surface using improved Z-map The International Journal of Advanced Manufacturing Technology; 11671177 (2013) Zeroudi, N., Fontaine, M., Necib, K Prediction of cutting forces in 3-axes milling of sculptured surfaces directly from CAM tool path Journal of Intelligent Manufacturing; 1573-1587 (2012) Tsai, Chung-Liang and Liao, Yunn-Shiuan Prediction of cutting forces in ball-end milling by means of geometric analysis Journal of Materials Processing Technology; 24-33 (2008) Sun, Yujing, et al Modeling of cutting force under the tool flank wear effect in end milling Ti6Al4V with solid carbide tool The International Journal of Advanced Manufacturing Technology; 2545-2553 (2013) Tan, Liang, người khác Effect of cutter path orientations on cutting forces, tool wear, and surface integrity when ball end milling TC17 The International Journal of Advanced Manufacturing Technology; 1-14 (2016) Thái Thị Thu Hà, Hồ Minh Đạo Thiết kế hệ thống đo lực cắt trình phay; 1-4 Nguyễn Tài Hoài Thanh, Dương Văn Ngụy Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ công nghệ tới tuổi bền dao phay cầu gia công thép 40x sau nhiệt luyện Hội nghị KH&CN Tồn quốc Cơ khí - Động lực; 19-23 (2016) STUDY ON THE EFFECT OF CUTTING FORCE ON TOOL LIFE OF BALL NOSE END MILL WHEN MACHINING HARD-ALLOY AFTER HEAT TREATMENT ABSTRACT: Milling process has many factors affecting to the workpiece surface quality In particular, the cutting force has a great influence on the heat cutting, the tool wear and the affect to the accuracy of machining operations This article presents the results of the research on the measurement and analysis system of cutting force when milling on hard alloy steels using ball nose end mill Cutting force during machining is measured online using Kistler's three-dimensional force measuring instrument, the flank wear is measured on the electron microscope Data from the force measuring device is collected, processed, filtered and analyzed into a composite force graph in three components Through the analysis of the magnitude and rate of variation of the cutting force, it is possible to study the effect of cutting force on the tool wear in the online monitoring system Research results are very important in the improvement of productivity, increasing production rate, decreasing operation costs and enhancing the quality of production Keywords: Cutting force, ball nose end mill, tool life, five axis CNC Trang 117 ... Thiết kế hệ thống đo lực cắt trình phay; 1-4 Nguyễn Tài Hoài Thanh, Dương Văn Ngụy Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ công nghệ tới tuổi bền dao phay cầu gia công thép 40x sau nhiệt luyện Hội nghị KH&CN... hệ lực cắt tuổi bền dao phay cầu, ta thấy giá trị tuổi bền dụng cụ biến động lớn (Bảng 4) giá trị lực cắt sau phân tích khác phụ thuộc vào thông số công nghệ rõ nét Quan sát hai biểu đồ lực cắt. .. bất thường Sau tiến hành quy “0” nhằm loại bỏ ảnh hưởng trọng lượng chi tiết gia công lên ba lực thành phần Fx, Fy Fz phơi gia cơng gá nghiêng phay dao phay cầu Phân tích độ lớn lực cắt trung