1.7.1 Đặc điểm của gia cụng cao tốc
Ƣu điểm của gia cụng cao tốc
So với gia cụng truyền thống thỡ gia cụng cao tốc cú những ƣu điểm nổi bật. Nú cú thể làm giảm thời gian gia cụng đến 90% và giảm đến 50% chi phớ gia cụng, tựy trƣờng hợp [47].
Một số ƣu điểm khỏc của gia cụng cao tốc nhƣ sau: Tốc độ búc vật liệu cao;
Chất lƣợng bề mặt gia cụng tốt; Độ chớnh xỏc hỡnh dỏng cao;
Cú khả năng gia cụng đƣợc cỏc gõn mỏng; Giảm việc tạo bavia;
Ít gõy hƣ hại bề mặt gia cụng. Nhƣợc điểm của gia cụng cao tốc
Những sự bất lợi chung của sự gia cụng bằng mỏy cao tốc là: sự mũn dụng cụ cắt nhanh, nhu cầu sử dụng cỏc mỏy cụng cụ đặc biệt và những mỏy cụng cụ giỏ thành đắt với trục chớnh và bộ điều khiển cao cấp, đồ gỏ, sự cõn bằng giỏ đỡ dụng cụ và yờu cầu vật liệu và lớp phủ cao cấp của dụng cụ cắt.
Song song với việc tăng cƣờng ứng dụng gia cụng cao tốc, đú là nghiờn cứu cho sự phỏt triển vật liệu mới của dụng cụ cắt, cải thiện thiết kế lƣỡi cắt của dụng cụ cắt, những chiến lƣợc mới trong việc hỡnh thành đƣờng dao cắt và sự cải tiến những điều kiện cắt. Hơn nữa, sự mụ phỏng cú mỏy tớnh hỗ trợ của quỏ trỡnh cắt phõn tớch những kỹ thuật hữu ớch để dự đoỏn nhiệt độ, ứng suất dụng cụ cắt, nõng cao tuổi bền dụng cụ cắt và an toàn trong quỏ trỡnh gia cụng.
Một số nhƣợc điểm khỏc của gia cụng cao tốc nhƣ sau;
Cần cú quy trỡnh gia cụng đặc biệt, lập trỡnh phức tạp;
Dễ mũn cỏc chi tiết dẫn hƣớng, vớt me đai ốc, bạc trục chớnh,dẫn đến chi phớ bảo trỡ cao;
27
Yờu cầu ngƣời điều khiển phải cú kiến thức về HSM; Đặc biệt chỳ ý đến vấn đề an toàn trong gia cụng.
1.7.2 Cỏc ứng dụng của gia cụng cao tốc
Rất nhiều những nghiờn cứu và cải tiến đƣợc tiến hành trong lĩnh vực gia cụng cao tốc (Tiện, phay, khoan và doa) hợp kim nhụm, hợp kim titan, thộp, siờu hợp kim. Rất nhiều dữ liệu đó đƣợc thu thập về hiệu quả của cắt cao tốc trờn:
- Loại phụi đƣợc sản suất; - Lực cắt và cụng suất; - Nhiệt cắt;
- Mũn dụng cụ; - Độ búng bề mặt;
- Tớnh toỏn kinh tế của quỏ trỡnh.
Những nghiờn cứu này chỉ ra rằng gia cụng cao tốc cú thể kinh tế hơn trong một số ứng dụng. Vỡ vậy, gia cụng cao tốc đƣợc ỏp dụng trong gia cụng cỏc tuabin mỏy bay và động cơ ụ tụ với năng suất tăng gấp 5 đến 10 lần so với phƣơng phỏp gia cụng thụng thƣờng. Gia cụng cao tốc với 3 đến 5 trục điều khiển biờn dạng phức tạp chỉ cú thể đƣợc thực hiện gần đõy nhờ những phỏt triển của cụng nghệ điều khiển CNC.
Một nhõn tố quan trọng trong việc ỏp dụng cụng nghệ gia cụng cao tốc là sự mong muốn cú đƣợc cải tiến về dung sai trong gia cụng cắt gọt. Với gia cụng cao tốc, hầu hết nhiệt sản sinh đều đƣợc giảm thiểu và tập trung chủ yếu vào phoi, vỡ vậy mỏy cụng cụ và quan trọng hơn là chi tiết gia cụng giữ đƣợc nhiệt độ gần với nhiệt độ xung quanh. Điều này cú thể rất hiệu quả vỡ sẽ khụng cú sự gia tăng nhiệt và làm biến dạng chi tiết gia cụng trong khi gia cụng.
Những ứng dụng của gia cụng cao tốc đƣợc chia thành 3 nhúm.
- Một là trong ngành cụng nghiệp hàng khụng bởi những cụng ty lớn nhƣ Boeing, nơi mà những cấu trỳc bộ khung mỏy bay đƣợc gia cụng bằng những tảng nhụm lớn.
- Nhúm ứng dụng thứ hai bao gồm việc gia cụng nhụm bằng cỏch tập trung nguyờn cụng (nguyờn cụng nhiều bƣớc) để sản xuất ra những linh kiện cho nhiều ngành cụng nghiệp khỏc nhau vớ dụ nhƣ: động cơ, mỏy tớnh và thiết bị y tế. Tập trung nguyờn cụng nghĩa là cỏc dụng cụ đƣợc thay đổi thƣờng xuyờn cũng nhƣ sự thay đổi về tốc độ của dụng cụ cắt trong quỏ trỡnh gia cụng. Do vậy sự thay đổi nhanh dụng cụ và kiểm soỏt đƣờng dẫn dao là rất quan trọng ở những nguyờn cụng này. - Nhúm ứng dụng thứ 3 cho gia cụng cao tốc là cho ngành cụng nghiệp khuụn, chế
tạo chi tiết mỏy độ chớnh xỏc cao, ngành yờu cầu chi tiết khỏ phức tạp từ những vật liệu cứng. Trong trƣờng hợp này, gia cụng cao tốc đỏp ứng yờu cầu: búc kim loại nhanh và gia cụng tinh để đạt đƣợc độ chớnh xỏc và độ búng của bề mặt.
- Rất nhiều nghiờn cứu đó đƣợc tiến hành về gia cụng cao tốc (tiện cũng nhƣ là khoan) hợp kim nhụm, titan thộp và siờu hợp kim. Những nghiờn cứu đó chỉ ra rằng gia cụng cao tốc cú tớnh kinh tế trong một số trƣờng hợp và đang đƣợc ỏp dụng cho việc gia cụng tuabin mỏy bay và động cơ xe ụ tụ với năng suất gấp 5 đến 10 lần gia cụng thụng thƣờng. Yếu tố quan trọng trong những gia cụng nhƣ vậy là việc lựa chọn mỏy cụng cụ phự hợp, cụng suất của mỏy cũng nhƣ độ cứng của chỳng, độ
28
cứng vững của cơ cấu kẹp dao và đồ gỏ, thiết kế của trục chớnh cú tốc độ cao và mạnh, quỏn tớnh của cỏc bộ phận của mỏy cụng cụ, truyền động chạy dao nhanh, và mức độ tự động húa.
Cần lƣu ý rằng gia cụng cao tốc phải đƣợc cõn nhắc cho những trƣờng hợp mà số lần gỏ khỏ nhiều trong quỏ trỡnh cụng nghệ. Vỡ những yếu tố khỏc nhƣ: thời gian phụ (non- cutting time) và chi phớ nhõn cụng cũng là những yếu tố quan trọng khỏc để xột về tớnh hiệu quả cho việc ứng dụng gia cụng cao tốc. Những yếu tố quan trọng trong gia cụng cao tốc:
- Cụng suất và độ cứng của mỏy cụng cụ. - Độ cứng của “đồ kẹp dao và đồ gỏ phụi”
- Thiết kế của trục chớnh cho cụng suất và số vũng quay lớn. - Quỏn tớnh của cỏc thành phần của mỏy
cụng cụ.
- Truyền động chạy dao nhanh - Mức độ tự động húa.
- Sự lựa chọn dụng cụ cắt thớch hợp. Khả năng của quỏ trỡnh gia cụng cao tốc đối với cỏc loại vật liệu, dao trong quỏ trỡnh tiện cũng nhƣ cỏc phƣơng phỏp khỏc đó đƣợc trỡnh bày trong bảng 1.1. Cỏc giỏ trị này rất quan trọng đối với tớnh hiệu quả của quỏ trỡnh gia cụng. Cú những sự khỏc biệt lớn về năng suất gia cụng giữa những quỏ trỡnh này. Sự khỏc nhau đú khụng chỉ là do những thuộc tớnh vốn cú của quỏ trỡnh gia cụng và dụng cụ gia cụng mà cũn phụ thuộc vào những yếu tố khỏc nhƣ: thời gian gỏ đặt, loại và kớch cỡ của chi tiết gia cụng. Việc lựa chọn chớnh xỏc phƣơng phỏp và mỏy gia cụng là rất quan trọng cho việc giảm thiểu tối đa chi phớ sản xuất.
Sau đõy là những tớnh năng đặc biệt của gia cụng cao tốc:
Độ nhỏm của bề mặt gia cụng đƣợc quyết định phần lớn bằng độ cao của đỉnh giữa 2 đƣờng chuyển dao liền kề với dao cầu. Chọn
bƣớc tiến nhỏ thỡ chiều cao nhấp nhụ sẽ giảm. Bằng cỏch này, giảm chiều sõu cắt cú thể giỳp giảm thiểu đỏng kể thời gian đỏnh búng hỡnh 1.16.
Độ búng bề mặt của gƣơng phản xạ trờn đốn đó đƣợc phay trờn vật liệu đó tụi ở chiều sõu cắt và bƣớc tiến dao là: 0.1mm và 0.05mm/vũng. Quỏ trỡnh gia cụng tinh này đƣợc cắt ở 22,000 vũng/phỳt. Độ búng ngoài ra cũn bị ảnh hƣởng bởi kỹ thuật gia cụng. Để quỏ trỡnh gia cụng tinh tốt nhất, quỏ trỡnh phay phải tuõn theo những rónh phay song song và đồng hƣớng hỡnh 1.17.
Hỡnh 1.16 Nhỏm bề mặt khi cắt bằng dao phay ngún đầu cầu
29
Gia cụng tinh cú thể giỳp cho phay trở thành một phƣơng ỏn thay thế cho EDM để làm khuụn từ những vật liệu cứng nhất (50 HRC). Gia cụng cao tốc cho phộp cỏc nhà cung cấp cú thế chể tạo khuụn nhƣ hỡnh minh họa chỉ bằng một lần gỏ đặt ở trung tõm gia cụng
nơi mà việc kết hợp giữa phay và EDM là cần thiết. Gia cụng tinh cú thể sản xuất khuụn nhanh hơn và cũng chớnh xỏc hơn bởi nú yờu cầu ớt bƣớc tiến hành hơn dẫn đến việc ớt rủi ro hơn. Sai số chấp nhận đƣợc sẽ giảm xuồng từ 0.005 cũn 0.001mm hỡnh 1.19.
Điện cực với thành mỏng, gõn cũng nhƣ cỏc thành phần liờn quan khỏc cú thể đƣợc
gia cụng bằng một cục phụi trong gia cụng cao tốc bởi những nguyờn cụng với lực cắt rất nhỏ, đảm bảo chi tiết khụng bị biến dạng và đạt độ chớnh xỏc cao Hỡnh 1.20.
Hỡnh 1.21 mụ tả chi tiết ở bộ phận hạ cỏnh của mỏy bay vận tải Cargo C-17 để nối phần kết cấu chớnh với phần vỏ . Gia cụng cao tốc cho phộp chi tiết này cú thể đƣợc gia cụng toàn bộ bằng một dụng cụ cắt. Tổng thời gian gia cụng vào khoảng 12 tiếng. Gia cụng với cỏc phụi đỳc cú thể giảm thời gian gia cụng xuống cũn một nửa. Thay đổi thiết kế của vật đỳc cũng yờu cầu cỏc dụng cụ cũng phải thay đổi. Đối với chi tiết gia cụng, rất nhiều thay đổi chỉ cần thực hiện trờn việc lập trỡnh.
Hỡnh 1.18 Điện cực đồng để gia cụng EDM
Hỡnh 1.19 Cỏc kiểu khuụn điển hỡnh để gia cụng cao tốc khuụn dập chi tiết phụ tựng ụ tụ,
khuụn thổi chai nhựa, và ộp phun tai nghe.
Hỡnh 1.20 Điện cực EDM cú thành mỏng
Hỡnh 1.21 Chi tiết của bộ phận hạ cỏnh của mỏy bay vận tải Boeing Cargo C-17
30
Gia cụng cao tốc cho phộp loại bỏ quỏ trỡnh đỳc phụi, việc gia cụng ở bờn trong cho những chi tiết làm bằng nhụm nhƣ hỡnh 1.22 cú thể thực hiện trực tiếp từ một khối phụi đặc.
Muốn cú tốc độ cao đồng nghĩa với việc sẽ cú sự bự trừ giữa lực cắt và tốc độ cắt. Trƣớc hết, với kớch cỡ của mụ tơ hạn chế, trục chớnh cao tốc thƣờng cú mụ tơ quay trực tiếp, nghĩa là mụ tơ phải nằm vừa trong lũng trục chớnh. Một hạn chế khỏc nữa là ổ đỡ. Để tăng khả năng chịu đựng của trục chớnh cao tốc mà vẫn giữ đƣợc tốc độ quay thỡ độ cứng vững phải bị giảm đi. Đõy cũng là một trong những lý do khiến cho gia cụng cao tốc thƣờng ỏp dụng những đƣờng cắt nhẹ.
Một xu hƣớng bất biến trong lịch sử của gia cụng kim loại là việc sử dụng tốc độ ngày càng cao. Trong những năm gần đõy, xu hƣớng đú cú một chỳt thay đổi do nhu cầu về:
- Năng suất gia cụng cao hơn; - Thời gian gia cụng giảm đi; - Chi phớ giảm;
- Và chất lƣợng sản phẩm tăng lờn.
Giảm bớt trọng lƣợng của một số chi tiết bằng cỏch gia cụng chi tiết thành mỏng hơn khụng phải là một ý tƣởng mới mẻ. Tuy nhiờn, chi tiết thành mỏng hơn cũng yờu cầu những đƣờng cắt nhẹ hơn và mất nhiều thời gian với tốc độ cắt chậm. Gia cụng cao tốc thay đổi cụng thức bằng cỏch kết hợp những đƣờng cắt nhẹ với tốc độ ăn dao cao. Gia cụng cao tốc cho phộp gia cụng thành mỏng với một năng suất búc tỏch kim loại cao hơn.
1.8 Tổng quan về cụng trỡnh nghiờn cứu trong và ngoài nƣớc.
Nghiờn cứu của tỏc giả nước ngoài
Tỏc giả S. Zhang & J. F. Li & J. Sun & F. Jiang nghiờn cứu, dự đoỏn mũn dụng cụ và lực cắt thay đổi khi phay cao tốc sử dụng dao phay ngún răng chắp (2 lƣỡi cắt), đƣờng kớnh dụng cụ D=25mm để gia cụng biờn dạng vật liờu hợp kim Ti-6Al-4V khụng sử dụng dung dịch trơn nguội. Qua đú phõn tớch biến thiờn lực cắt và mũn dao khi gia cụng cao tốc. Nghiờn cứu của tỏc giả là cơ sở lý luận quan trọng để nghiờn cứu ảnh hƣởng thụng số chế độ cắt tới lực cắt và mũn dụng cụ cắt [55]. Tỏc giả V V K Lakshmi, Dr K Venkata Subbaiah nghiờn cứu mụ hỡnh húa và tối ƣu húa độ nhỏm bề mặt và năng suất cắt khi gia cụng thộp cứng bằng dao phay ngún liền khối D=8mm. Đõy là nghiờn cứu quan trọng trong gia cụng thộp cứng tuy vậy bài toỏn cụng nghệ tỏc giả chƣa đề cập đến ảnh hƣởng của mũn dao, rung động trong quỏ trỡnh gia cụng để tiến tới tối ƣu húa điều khiển thớch nghi trong quỏ trỡnh gia cụng[62].
31 Tỏc giả Omar E. E. K. M. H. Omar đó nghiờn cứu xỏc định hệ số lực cắt, lực cắt và đỏnh giỏ trong quỏ trỡnh gia cụng phay cao tốc sử dụng dao phay ngún liền khối D=10mm. Trờn cơ sở đú tỏc giả đó thực nghiệm đỏnh giỏ xỏc định tần số riờng của hệ dụng cụ cắt, đồ gỏ trong hệ thống gia cụng và ảnh hƣởng của độ đảo dụng cụ cắt đến rung động trong quỏ trỡnh gia cụng. Đõy là cơ sở để điều chỉnh hiệu chỉnh thụng số cụng nghệ, độ cứng vững của mỏy, dao và đồ gỏ để hệ thống gia cụng đảm bảo khụng mất ổn định trong quỏ trỡnh gia cụng. Đõy là cơ sở để nghiờn cứu thụng số chế độ cắt ảnh hƣởng đến rung động trong quỏ trỡnh gia cụng trong tƣơng lai [16]. Theo tỏc giả Sabahudin Ekinović nghiờn cứu những ƣu điểm về độ chớnh xỏc và chất lƣợng bề mặt khi gia cụng cao tốc. Qua nghiờn cứu cho thấy độ nhỏm bề mặt của phƣơng phỏp
gia cụng truyền thống cao hơn độ nhỏm khi gia cụng cao tốc (hay chất lƣợng bề mặt phƣơng phỏp gia cụng cao tốc tốt hơn nhiều so với phƣơng phỏp gia cụng truyền thống) [48] nhƣ hỡnh 1.23. Qua đồ thị cho thấy khi lƣợng chạy dao càng tăng thỡ độ nhỏm bề mặt càng cao.
Nghiờn cứu của tỏc giả trong nước.
Trong nƣớc, đó cú một số bài bỏo nờu vấn đề nghiờn cứu gia cụng cao tốc. Tuy vậy lĩnh vực gia cụng phay cao tốc chƣa nhiều cú đề tài tiến sĩ của tỏc giả TS. Phan Văn Hiếu nghiờn cứu “Xỏc định miền ổn định khi gia cụng trờn mỏy CNC ba trục tốc độ cao” tỡm ra biểu đồ quan hệ chiều sõu cắt và tốc độ trục chớnh (miền ổn định khi phay). Tuy vậy, vấn đề nghiờn cứu chế độ cắt tối ƣu để đảm bảo chất lƣợng và thuộc miền ổn định khi gia cụng tỏc giả chƣa đề cập đến. Luận ỏn tiến sĩ của tỏc giả TS. Nguyễn Trọng Hiếu đó nghiờn cứu tại Trƣờng đại học Magdeburg của Đức đề tài “Mụ hỡnh húa phay cao tốc với dao phay chỏm cầu với sự nhấn mạnh đặc biệt chất lƣợng bề mặt” đề tài nghiờn cứu khảo sỏt quỏ trỡnh phay vật liệu cú độ cứng khỏc nhau và xõy dựng mụ hỡnh toỏn học ảnh hƣởng thụng số chế độ cắt đến độ nhỏm bề mặt, lực cắt, mũn dao và ảnh độ cứng vật liệu tới độ nhỏm bề mặt trờn cơ sở đú xõy dựng phần mềm tối ƣu húa chế độ cắt để đạt đƣợc chất lƣợng độ nhỏm bề mặt tốt nhất. Hơn nữa, đối với gia cụng cao tốc thỡ cỏc hóng chế tạo dụng cụ cắt Seco, Sandvik...theo Jabro về gia cụng cao tốc đó nghiờn cứu và đƣa ra phƣơng phỏp cắt, điều kiện cắt khi phay cao tốc khỏc với phƣơng phỏp phay truyền thống dao phay ngún liền khối [57].
Qua đú cho thấy đề hoàn thiện hơn trong gia cụng phay và nghiờn cứu động lực học gia cụng trong phay cao tốc vấn đề nghiờn cứu ảnh hƣởng của thụng số chế độ cắt: tốc độ cắt, lƣợng chạy dao và chiều sõu cắt tới: Lực cắt, rung động, mũn dao và độ nhỏm bề mặt nhằm đƣa ra cơ sở dữ liệu về gia cụng phay núi chung và phay cao tốc núi riờng là cần thiết và cấp thiết đối với Việt Nam. Trờn cơ sở đú tiến hành tối ƣu húa lựa chọn chế độ cụng nghệ và tự tối ƣu húa (Self-Optimizing) chế độ cắt trong quỏ trỡnh gia cụng.
Hỡnh 1.23 Đồ thị quan hệ độ nhỏm bề