Nhận biết rung động khi phay bằng sai số hình dáng

- Danh mục các hình vẽ và đồ thị

210. Kết luận

3.4.3. Nhận biết rung động khi phay bằng sai số hình dáng

Hiện tƣợng chatter xảy ra trong quá trình gia c ng sẽ làm cho chất lƣợng bề mặt xấu đi nhƣ hình 3.15.

Hình 3.15 Sai số hình dáng

hất lƣợng của bề mặt gia c ng đƣợc đánh giá bằng độ nhám bề mặt, độ sóng bề mặt hoặc sai số hình dáng bề mặt. ụ thể nhƣ sau:

+ hững mấp m có tỷ số giữa bƣớc mấp m (Sb) và chiều dài mấp m (l) bé hơn hoặc bằng 50 (Sb /l ≤ 50) thì thuộc về nhám bề mặt.

+ hững mấp m mà (50 < Sb /l ≤ 1000) thuộc về sóng bề mặt. + hững mấp m mà (1000< Sb /l) thuộc về sai lệch hình dạng.

Hình 3.16 Các yếu tố hình học của lớp bề mặt.1- Sóng bề mặt, 2-nhấp nhô bề mặt, 3- sai số hình dáng

ộ nhám dùng để đánh giá chất lƣợng bề mặt từ cấp chính xác 1-14. òn độ sóng ở đây đƣợc dùng để đánh giá chất lƣợng bề mặt nếu trong quá trình gia c ng xảy ra hiện tƣợng rung động.

3.4.3.1. Khái niệm độ sóng

ộ sóng bề mặt là chu kỳ kh ng bằng phẳng của bề mặt chi tiết máy đƣợc quan sát trong phạm vi lớn hơn độ nhám bề mặt. ộ sóng bề mặt thƣờng xuất hiện khi gia c ng có rung động của hệ thống c ng nghệ, quá trình cắt kh ng liên tục, dụng cụ cắt bị đảo… Th ng thƣờng độ sóng xuất hiện khi gia c ng chi tiết có kích thƣớc lớn và trung bình bằng các phƣơng pháp tiện, phay và mài.

3.4.3.2 Xây dựng phương trình độ sóng m z tz. ( ).. c z tz. ( ). k z tz.  F tz( , ) Hay ..z t( ) 2. . z t.( ) 2 .z t  F t( , ) z z oz oz       

Với Fz: ực dọc trục theo chiều trục của dao cắt.

 Theo c ng thức kinh nghiệm: Fz = 0.5Ft

Ft: lực cắt tiếp tuyến cho dao thứ j đƣợc tính theo c ng thức

  . .  .

tj j t

F  g t k h  a

Trong đó:

o Kt hệ số lực cắt tuyến tiếp (phụ thuộc vào vật liệu ph i gia c ng). o a chiều sâu cắt (mm)

o h  chiều dày phoi cắt bao gồm chiều tĩnh (do dao chuyển động) và chiều dày động (do rung động).

     

j static j dynamic j h t h  t h  t 

  .sin   sin   . os   . t t T j z j j j t t T x x h t f t t c t y y                               

* gj t  là một hàm logic phụ thuộc vào vị trị của r ng thứ j tại thời điểm t.Khi dao cắt n vào ph i (vị trí của dao st t j t ex t ,gj 1 ), và các trƣờng hợp khác gj 1.  ,

N

z tj

j

F t  F (3-7)

Vậy phƣơng trình độ sóng khi gia c ng phay có dạng sau:

      2 1 ( ) 2. . ( ) . 0,5. . . . .. . N oz z oz j t j j z z t z t z t g t k h a m                

3.4.3.3Tiêu chuẩn đánh giá sóng mất ổn định dựa vào phần mềm

Sau khi thiết lập phƣơng trình độ sóng ta nhận thấy rằng phƣơng trình độ sóng là phƣơng rình vi phân có trễ bậc 2. Ở đây ta sử dụng phần mềm atlab để giải và đƣa ra dạng đồ thị của độ sóng trong quá trình phay với các th ng số đầu vào xác định.

hƣơng trình viết trên T B đƣợc lƣu trong file: Phuong_trinh_do_song.m với các bƣớc chính đƣợc thực hiện nhƣ dƣới đây:

Hình 3.17 Thuật giải bài toán xây dựng biểu đồ sóng bề mặt

Hình 3.18. Đồ thị sóng bề mặt

Nhận xét: Sóng bề mặt là chỉ tiêu để đáng giá chế độ gia c ng là ổn định hay mất ổ định. chế độ gia c ng là ổn định khi sóng bề mặt có biên độ nhỏ dần. hế độ gia c ng là mất ổn định khi sóng bề mặt có biên độ lớn dần theo thời gian.

3.4.3.4Tiêu chuẩn đánh giá sóng mất ổn định bằng đo thực nghiệm

Sau khi gia c ng ta dùng thiết bị vẽ lên biên dạng sóng trong suốt quá trình gia công. Sóng bề mặt đạt chất lƣợng tốt khi biên độ sóng giảm dần hay sóng tắt dần (quá trình gia c ng ổn định), sóng có biên độ lớn dần lên hay sóng t ng (quá trình gia c ng kh ng ổn định). ác kết quả đo sóng thực nghiệm có thể đánh giá ổn định hay kh ng bằng mắt thƣờng nhƣ hay hình vẽ dƣới đây.

- Kh ng ổn định (chatter): ộ nhám hoặc biên độ sóng bề mặt t ng dần theo thời gian. Hình vẽ 3.19 minh họa biểu đồ sóng bề mặt trên chiều dài gia c ng.

Hình 3.19 Đồ thị sóng bề mặt khi chế độ gia công mất ổn định

- Ổn định: ộ nhám hoặc độ sóng bề mặt có biên độ giảm dần theo thời gian. Hình vẽ 3.20 minh họa biểu đồ sóng trên chiều dài gia c ng trên chiều dài gia c ng nhƣ hình vẽ.

3.4.4. Lực cắt

ực cắt quá lớn khi phay sẽ làm t ng khả n ng xuất hiện rung động, do đó làm mòn nhanh dụng cụ, hỏng trục chính, giảm chất lƣợng bề mặt sản phẩm… hận biết rung động dựa trên lực cắt động sử dụng dynamometer [5]. Khi đó, kết quả thu đƣợc là lực cắt theo phƣơng x, y, z và m men trục z. Tuy nhiên, chỉ lực cắt theo phƣơng x, y đƣợc phân tích nhƣ là nguyên nhân chính làm xuất hiện rung động. Dƣới đây là giải thuật để xây dựng biểu đồ lực cắt.

Hình 3.21 Thuật giải bài toán xây dựng biểu đồ lực cắt

Phần mềm thu và chuyển tín hiệu lực cắt sang đồ thị lực cắt theo thời gian: Kitsler® Dynoware. Tiến hành làm 19x10 thí nghiệm, thay đổi 3 lần mỗi th ng số: tốc độ trục chính, chiều sâu cắt. ồ thị thu đƣợc có thể nhƣ sau:

Hình 3.22 Đồ thị lực cắt Fx(N) theo thời gian lần cắt 1

Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa lực cắt theo phƣơng ox với thời gian, trục oy biểu diễn độ lớn của lực, trục ox biểu diễn thời gian. Từ biểu đồ rút ra nhận xét, lực cắt Fx xem nhƣ kh ng đổi, kh ng có sự thay đổi nhanh về lực cắt và do đó, trong thí nghiệm này, rung động kh ng xuất hiện.

Hình 3.23 Đồ thị lực cắt Fx(N) theo thời gian lần cắt 7

Ở trên đồ thị này, lực cắt thay đổi nhanh từ một giá trị kh ng đổi đột ngột nhảy lên một giá trị cao. Vậy có sự rung động mạnh theo phƣơng ox xảy ra làm độ lớn của lực thay đổi đột ngột.

Hình 3.24. Đồ thị lực cắt Fy(N) theo thời gian lần cắt 27

ồ thị hình 3.24 biểu diễn mối quan hệ lực cắt theo phƣơng oy với thời gian. Theo đồ thị, lực cắt Fy đột nhiên thay đổi mạnh, Vậy có sự rung động mạnh theo phƣơng oy xảy ra làm độ lớn của lực thay đổi đột ngột.

Trong phần này, tác giả đã tiến hành thiết lập các th ng số của hệ thống máy là khối lƣợng quy đổi, độ cứng của toán máy và hệ số giảm chấn của toán máy. ác th ng số trên đƣợc chọn làm th ng số đầu vào cho bài toán xây dựng miền ổn định của máy nên yêu cầu độ chính xác cao. ó hai phƣơng pháp để xác định các th ng số trên của hệ thống là dùng phần mềm FE và phƣơng pháp đo thực nghiệm.

Tác giả cũng đã đo thực nghiệm đƣợc chính xác các th ng số của hệ áy phay cao tốc Super 500. Phƣơng pháp gõ thử taptest đƣợc sử dụng. Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm tác giả thu đƣợc các kết quả nhƣ sau: ộ cứng theo hai phƣơng ox và oy là bằng nhau kx=ky=14156 ( /m), Khối lƣợng quy đổi theo các phƣơng trên là: mx my 0, 014156(kg). Hệ số giảm chấn theo hai phƣơng lần lƣợt là:

0, 0243

x y

   ,. ác th ng số này là đầu vào để xây dựng biểu đồ ổn định bằng phần mềm atlab.

Ở trên tác giả đã liệt kê ra bốn phƣơng pháp để phân biệt hiện tƣợng ổn định hoặc mất ổn định trong quá trình cắt. Trong bốn phƣơng pháp này, phƣơng pháp sử dụng biểu đồ âm thanh là phù hợp với điều kiện thiết bị của Việt am. Vậy, tác giả

tập trung vào xây dựng biểu đồ ổn định cho máy phay tốc độ cao dùng dao phay ngón bằng cách đo cƣờng độ âm thanh

3.5. Ứng dụng phần mềm MATLAB xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao

3.5.1. Các thông số đầu vào chính

ác th ng số đầu vào gồm:

+ họn kiểu chạy dao là phay thuận + Số r ng của dụng cụ cắt là 4 r ng

+ ƣợng tiến dao trên r ng fz = 0,0002m/r ng

+ Khối lƣợng quy đổi theo hai phƣơng ox và oy: my mx0, 014156(kg)

+ Tần số tự nhiên của hệ thống theo hai phƣơng: ωx = ωy = 998 (rad/s). + Hệ số giảm chấn theo hai phƣơng: y x 0, 0243

+ Hệ số lực cắt tiếp tuyến và lực cắt pháp tuyến: kt=1495 N/mm2 và kn=538.7 N/mm2 (tra theo vật liệu gia c ng là thép 50C)

ác th ng số đầu vào đƣợc lƣu trữ trong tệp tin common_parameters.m bao gồm các th ng số về chế độ cắt, hệ số vật liệu và th ng số động học của dụng cụ cắt. Bảng thống kê các th ng số nhƣ sau: Th ng số Giá trị ơn vị ap 0-0.010 m Phay thuận n 2000-20000 vg/ph N 4 r ng fz 0.0002 m/r ng mx,y 0, 014156 kg 0x,y 1000*2 rad/s x,y 0, 0243 - Kt 1495 N/m2 Kn 538.7 N/m2

3.5.2. Tiêu chí đánh giá ổn định dựa trên phần mềm

ể thiết lập miền ổn định của quá trình phay bằng phƣơng pháp m phỏng số, chỉ tiêu dựa vào độ sóng bề mặt đƣợc chọn. hế độ gia c ng ổn định thì biểu đồ sóng bề mặt sẽ hội tụ, ngƣợc lại chế độ gia c ng mất độ định thì biểu đồ sóng sẽ kh ng hội tụ.

Biểu đồ sóng bề mặt ứng với chế độ gia c ng ổn định

Hình 3.25 Biểu đồ sóng bề mặt ứng với chế độ gia công ổn định

Biểu đồ sóng bề mặt ứng với chế độ gia c ng mất ổn định

Hình 3.26 Biểu đồ sóng bề mặt ứng với chế độ gia công mất ổn định

Với các chế độ gia c ng khác nhau ta sẽ có đƣợc biểu đồ sóng hay biểu đồ rung động của trục dụng cụ cắt. Tác giả lấy đó làm chỉ tiêu đánh giá ổn định. Dƣới đây một số kết quả về biểu đồ rung động của trục dụng cụ cắt đƣợc trích dẫn để giải thích rõ thêm:

* Trƣờng hợp : tốc độ trục = 12000 vg/ph, chiều sâu cắt = 1.35 mm

Ở trƣờng hợp này, điểm nằm trong vùng ổn định khi trên hệ thống phay sẽ đạt trạng thái ổn định. Ta thấy các rung động của dao phay cũng nhƣ lực cắt ở đồ thị dƣới nhỏ dần và trở nên ổn định.

Hình 3.27 Rung động theo phương x và y và lực cắt tác dụng lên dụng cụ cắt trong trường hợp ổn định

* Trường hợp B: tốc độ trục = 16000 rpm, chiều sâu cắt = 1.65 mm

Khi t ng chiều sâu cắt từ 1.5mm lên 1.65 mm, dụng cụ cắt rung động lớn và trở nên mất ổn định, lực cắt cũng nhƣ rung động t ng lên rất lớn. Thực tế, do tính phi tuyến của hệ hay do các yếu tố ảnh hƣởng khác nên rung động của dụng cụ cắt sẽ kh ng t ng mãi mà sẽ rung động mạnh gây ra bề mặt xấu hay gãy dụng cụ cắt.

Hình 3.28 Rung động theo phương x, y và lực cắt tác dụng lên dụng cụ cắt trong trường hợp mất ổn định

* Trường hợp C: tốc độ trục = 20000 rpm, chiều sâu cắt = 1.65mm

ể hệ thống ổn định mà vẫn giữ nguyên chiều sâu cắt (để vẫn đạt n ng suất cao) ta t ng tốc độ vòng quay trục chính lên 20000 vòng/phút. Dụng cụ cắt rung động ổn định, tuy nhiên do t ng chiều sâu cắt nên lực cắt trƣờng hợp này cũng t ng lên và rung động lớn hơn.

Hình 2.29 Rung động theo phương x, y và lực tác dụng lên dụng cụ cắt trong trường hợp ổn định

Bằng việc xác định chế độ làm viêc một cách hợp lý từ biểu đồ ổn định, ta hoàn toàn có thể t ng đáng kể n ng suất gia c ng mà vẫn đảm bảo đƣợc chất lƣợng sản phẩm.

3.5.3. Xây dựng biểu đồ ổn định bằng phần mềm matlab

3.5.3.1. Chương trình tính biểu đồ ổn định theo phương pháp phân tích

Dựa trên lý thuyết ổn định phần trên ta xây dựng chƣơng trình tính theo các bƣớc chính

Hình 3.30 Chương trình tính toán biểu đồ ổn định

ã cụ thể của chƣơng trình nằm trong tập tin SLD_2DOF_anl.m trong phần phụ lục.

3.5.3.2. Chương trình tính biểu đồ ổn định theo phương pháp số

hƣơng trình tính nằm trong tệp SLD_2DOF_num.m và đƣợc thực hiện theo các bƣớc chính

Hình 3.31 Chương tình tính biểu đồ ổn định bằng phương pháp số 3.5.4. Kết quả tính biểu đồ ổn định

Bằng việc sử dụng phần mềm matlab tác giả đã thiết lập biểu đồ ổn định của máy Super MC 500 nhƣ hình

Hình 3.32 Biểu đồ ổn định xây dựng bằng phần mềm matlab

* Nhận xét: Biểu đồ ổn định có ba túi, hiều sâu cắt cho phéo lớn nhất là 1,2mm. ƣờng cong chia biểu đồ thành hai phần: Phần dƣới là miền gia c ng ổn định, miền trên ứng với miền gia c ng kh ng ổn định.

Từ biểu đồ, khi gia c ng thép 50 bằng dao phay ngón 10; 4 r ng cắt, với lƣợng tiến dao 0,05mm/r ng thì chế độ gia c ng tốt nhất (hay cho n ng suất cao nhất mà chất lƣợng bề mặt vẫn đảm bảo) là chiều sâu cắt t =1,5 mm, vận tốc cắt

n = 12000vg/ph.

3.5.5. Đánh giá độ tin cậy của phần mềm bằng phương pháp so sánh

ể kiểm chứng độ tin cậy của phần mềm ta đi so sánh kết quả có đƣợc từ chƣơng trình atlab với kết quả đáng tin cậy từ quyển sách về hatter của Faassen - bao gồm cả lý thuyết và thực nghiệm - và chƣơng trình utPro - một chƣơng trình chuyên vẽ biểu đồ ổn định.

Hình 3.34 Kết quả mô phỏng với Matlab mô hình tuyến tính

Hình 3.35 Kết quả mô phỏng với CutPro

Kết quả cho thấy sự giống nhau về hình dáng của các đồ thị, sự sai khác về số liệu là do sự khác nhau về m hình toán học cũng nhƣ thiếu dữ liệu đầu vào nhƣ hệ số cắt của vật liệu gia c ng, m hình tuyến tính, mo hình phi tuyến.

Vì vậy đồ thị ổn định đã đƣợc tính toán từ m hình trên hoàn toàn có thể tin cậy đƣợc.

3.6. Kết luận chương 3

Trong chƣơng này tác giả đã đƣa ra một phƣơng pháp để dự đoán nhanh và tin cậy biểu đồ ổn định của hệ thống máy. Phƣơng pháp này đã đƣợc kiểm chứng bằng cách so sánh với các tài liệu nghiên cứu khác, nhƣ quyển sách chatter của Faassen và chƣơng trình utPro.

Kết quả của chƣơng này sử dụng các th ng số đầu vào của hệ thống đã đo thực nghiệm ở mục 3.2 gồm: độ cứng của hệ thống máy (k), khối lƣợng quy đổi của hệ thống (m) và hệ số giảm chấn tƣơng đối (ξ), th ng số về chế độ cắt, hệ số vật liệu và th ng số động học của dụng cụ cắt.

Bằng phần mềm T B tác giả đã xây dựng đƣợc một chƣơng trình dự đoán biểu đồ ổn định. Phƣơng pháp dự đoán hệ thống này dựa trên cơ sở của chỉ tiêu âm thanh và dựa trên biểu đồ lực cắt.

Với việc sử dụng chƣơng trình dự đoán biểu đồ ổn định này cho phép nhanh chóng xây dựng đƣợc biểu đồ ổn định. Giúp tìm đƣợc các chế độ gia c ng cho n ng suất cao nhất.

ộ tin cậy của phần mềm sẽ đƣợc kiểm tra lại bằng gia c ng thực nghiệm. Trong chƣơng 4, tác giả sẽ tiến hành xây dựng biểu đồ ổn định bằng thực nghiệm.

Chương 4: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MIỀN ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO BẰNG TIÊU CHÍ ÂM THANH 4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm

4.1.1. Phân tích và thiết kế mô hình thực nghiệm