L ỜI CẢM ƠN
6. Phương pháp nghiên cứu
3.4.1 Ảnh hưởng của chiều rộng lớp cắt b
Chiều rộng lớp cắt b hay chiều sâu lớp cắt của vật liệu ảnh hưởng đến vùng giới hạn ổn định nhiều nhất trong tất cả các thông số của điều kiện cắt. Nó có hiệu ứng không ổn định cơ sở và hiệu ứng đó giảm dần đến khi đạt được giới hạn ổn định, trong thực tế sử dụng nó để đạt được sự ổn định khi cắt quá trình cắt rung động.
Hình 3.9: Ảnh hưởng của b đến A 3.4.2 Ảnh hưởng của chiều dày cắt a
Chiều dày cắt a tức là độ lớn lượng chạy dao S khác với chiều rộng phôi b, nó có xu hướng ổn định. Nếu quá trình cắt diễn ra tại giới hạn ổn định thì biên độ dao động giảm nếu tăng chiều dày phôi. Tuy nhiên điều này không có giá trị cho toàn bộ vùng khảo sát. Hình dưới (khi tiện t = 2mm, v = 41 m/ph) mô tả hiệu ứng ổn định tăng lên theo giá trịlượng chạy dao và kết thúc khi S = 0,6 mm/vg.
Hình 3.10: Ảnh hưởng của S đến A 3.4.3 Ảnh hưởng của vận tốc cắt v
Ảnh hưởng của vận tốc cắt có đặc trưng khác nhau tại khu vực vận tốc nhỏ, trung bình và khu vực vận tốc lớn. Hình dưới biểu diễn A = f(v) (khi L = 500 mm, S = 0,2 mm/vg) có biên độ cực đại. Một cách tổng quát có thể nhận thấy rằng khi sử dụng dao cắt bằng thép gió thì hiệu ứng của vận tốc cắt đến hệ thống là âm tính, còn khi sử dụng dao hợp kim là dương tính.
Hình 3.11: Ảnh hưởng của v đến A 3.4.4 Ảnh hưởng của thông số hình học phần cắt
Góc cắt cùng hòa đồng với ảnh hưởng của lực cắt, có hiệu ứng không ổn định rất lớn. Ởhình dưới khi tiện thép L = 700 mm, v = 41 m/ph, S = 0,1 mm/vg và khi tiện thép L = 600 mm, v = 20 m/ph, S = 0,15 mm/vg. Có thể tăng độ ổn định nếu giảm góc cắt.
Hình 3.12: Ảnh hưởng của góc cắt đến A
Góc nghiêng có tác dụng đến độ ổn định của quá trình cắt thông qua ảnh hưởng của nó đến chiều dày phôi và hướng của lực cắt. Tổng quát, khi tăng góc nghiêg thì độ ổn định của quá trình cắt tăng lên. Cường độ ảnh hưởng của góc nghiêng đến độ ổn định của quá trình cắt phụ thuộc vào điều kiện làm việc. Hình dưới thể hiện sựảnh hưởng của góc nghiên đến A (biên độdao động) khi tiện théo có đường kính d = 110 mm, v = 57 m/ph, S = 0,2 mm/vg.
Hình 3.13: Ảnh hưởng của góc nghiêng đến A
Bán kính mũi dao r có ảnh hưởng trực tiếp đến phương của lực cắt. Khi chiều rộng cắt lớn, chẳng hạn như khi gia công thô thì ảnh hưởng của r là nhỏ, vì khi đó lực cắt vuông góc với lưỡi cắt chính. Khi chiều rộng cắt bé, chẳng hạn như khi gia
công tinh thì chiều sâu cắt nhỏhơn bán kính r, do đó phương của lực cắt sẽ nghiêng đi so với phương của lưỡi cắt chính.
Ngoài ra thì r có liên quan đến thành phần lực hướng kính. Do đó khi tăng r thì lực hướng kính sẽtăng và xu hướng rung động sẽtăng.
3.4.5 Ảnh hưởng của thông số hình học
3.4.5.1 Ảnh hưởng của góc sau và góc trước
Ảnh hưởng của góc sau và góc trước đến rung động đươc biểu thị thông qua ảnh hưởng của chúng đến chiều sâu cắt tới hạn.
Hình 3.14: Ảnh hưởng của góc sau đến chiều sâu cắt tới hạn
Khi tăng góc trước và góc sau, ma sát ở mặt trước và mặt sau đều giảm nên rung động sẽ giảm, hạn chếđược sự mất ổn định. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa chiều sâu cắt tới hạn và góc trước hoàn toàn giống như đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chiều sâu cắt tới hạn với góc sau.
3.4.5.2 Ảnh hưởng của góc điều chỉnh
Góc điều chỉnh ảnh hưởng đến phương của lực cắt và do đó ảnh hưởng lớn đến rung động. Điều đó được biểu hiện ở ảnh hưởng của góc điều chỉnh đến chiều rộng cắt tới hạn.
Hình 3.15: Sự phụ thuộc của chiều rộng cắt tới hạn vào góc điều chỉnh
Khi góc điều chỉnh bằng 00 (tiện cắt đứt) thì lực F nằm theo hướng dao động chính và vuông góc với bề mặt gia công. Lúc này chuyển vị do dao động uốn tác dụng giống như trường hợp chiều dày cắt bị biến động.
Khi góc điều chỉnh bằng 900 (tiện xén mặt đầu) thì thành phần lực chạy dao F hướng theo trục Z, là hướng mà trục chính có độ cứng vững cao nhất, nên lực F không có tác dụng kích thích dao động uốn riêng của trục chính và phôi. Còn thành phần lực cắt tiếp tuýen vẫn nằm theo hướng dao động riêng. Tuy nhiên dao động uốn riêng trong trường hợp này không gây ra sự thay đổi chiều dày cắt vì mặt cắt nằm trong hướng dao động. Quan hệ giữa chiều rộng cắt tới hạn với các giá trị trung gian khác của góc điều chỉnh được mô tả bởi các điểm liên tục khác trên đồ thị.
3.4.5.3 Ảnh hưởng của góc nghiêng của lưỡi cắt chính
Góc nghiêng của lưỡi cắt chính ảnh hưởng đến độ ổn định của quá trình cắt thông qua ảnh hưỡng của nó đến chiều dày cắt và hướng của lực cắt. Góc nghiêng càng tăng thì ổn định càng cao. Hình dưới mô tả ảnh hưởng của góc nghiêng khi tiện thép v = 57 m/ph, S = 0,2 mm/vg.
Hình 3.16: Ảnh hưởng của góc nghiêng của quá trình cắt
3.4.5.4 Ảnh hưởng của tình trạng mòn dao
Ảnh hưỡng của mòn dao đến rung động là yếu tố rất khó xác định chính xác. Tuy nhiên giá trị cắt tới hạn phụ thuộc vào độ mòn của dao nên giới hạn ổn định thay đổi theo từng thời gian làm việc của dao.
Hình 3.17: Sự phụ thuộc của chiều sâu cắt tới hạn vào thời gian cắt của dao
Trên đồ thị thực nghiệm xây dựng từ một quá trình phay đã chỉ ra khoảng biến đổi của chiều sâu cắt tới hạn theo độ dài đường chuyển dao biẻu thị cho thời gian làm việc liên tục của dụng cụ cắt. Tại trạng thái ban đầu khi dao chưa mòn thì chiều sâu cắt tới hạn nhận giá trị bằng 1 mm. Nó tiếp tục tăng lên khá nhanh trong một khoảng thời gian ngắn và sau đó thay đổi rất ít (2,5 – 3 mm) trong một thời gian khá dài. Từ một trạng thái mòn xác định (ứng với khoảng 12m đường chạy dao) thì chiều sâu cắt tới hạn lại tiếp tục tăng nhanh.
3.4.5.5 Ảnh hưỡng của bán kính mũi dao
Khi chiều rộng cắt lớn, chẳng hạn như khi gia công thô, thì ảnh hưởng của bán kính mũi dao r là rất nhỏ, khi đó lực cắt có phương vuông góc với lưỡi cắt chính. Khi chiều rộng cắt bé, chảng hạn như khi gia công tinh, thì chiều sâu cắt nhỏ hơn bán kính r, phương của lực cắt sẽnghiêng đi so với phương của lưỡi cắt chính. Trong trường hợp sau thì độ mềm dẻo của dao cao hơn và dẫn đến rung động có thể xuất hiện cả khi chiều rộng cắt bé (công suất bé).
Hình 3.18: Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và bán kính đỉnh dao đến hướng của lực cắt động lực học
3.4.5.6 Ảnh hưởng của tốc độ cắt
Ảnh hưởng của tốc độ cắt v đến rung động thông qua lẹo dao.
Tăng tốc độ cắt đến giới hạn lẹo dao dễhình thành góc trước do lẹo dao tạo ra đạt giá trị lớn nhất rồi bị phá hủy, lực cắt thay đổi lớn, xảy ra rung động có biên độ lớn.
Hình 3.19: Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều rộng cắt tới hạn khi tiện
Khi cắt trong vùng tốc độ cắt thấp thì hệ thống cứng vững , còn hệ thống có độ cứng vững giảm cùng với sựtăng tốc độ một cách liên tục. Sau khi qua một điểm cực tiểu thì các giới hạn ổn định lại tăng cùng với tốc độ. Chưa có sự giải thích thỏa đáng về nguyên nhân của việc tăng giới hạn ổn định cùng với việc tăng tốc độ trong vùng tốc độcao, nhưng sự biến động đó đều có liên quan đến sự biến động của lực cắt nên gây ra rung động và hình thành cực tiểu, là do sự hình thành và phá hủy của lẹo dao.
3.5. Ảnh hưởng của vật liệu
Khi gia công các vật liệu càng dẻo, lẹo dao càng dễ hình thành. Sự biến thiên về lực cắt lúc này gây rung động. Hay nói cách khác là ảnh hưởng của vật liệu đến rung động chính là do tính không đồng đều của vật liệu gia công.
Sự không đồng đều của độ cứng sẽ làm cho lực cắt biến động, tạo điều kiện cho rung động phát triển, dẫn đến mất ổn định của quá trình gia công.
Độ cứng cắt tỷ lệ nghịch với chiều sâu cắt tới hạn, do đó vật liệu có độ cứng càng cao thì rung động và xu thếgây rung động cho hệ thống công nghệ càng lớn và chiều sâu cắt tới hạn đạt được càng bé. Ảnh hưởng của vật liệu đến rung động còn biểu hiện ở tính dẻo của vật liệu. Vật liệu càng dẻo, càng dai thì xu hướng xuất hiện rung động nhiều hơn so với vật liệu giòn.
3.6. Các biện pháp hạn chếrung động trong quá trình cắt
pháp hạn chế sự phát sinh và phát triển của rung động tự kích thích cho quá trình cắt.
3.6.1 Nhóm biện pháp liên quan đến cấu trúc máy
- Nâng cao độ cứng vững tĩnh của máy.
- Đảm bảo độ cứng vững của móng máy bao gồm cả các giải pháp lắp đặt máy có tác dụng giảm chấn.
- Lựa chọn vị trí làm việc tối ưu của các bộ phận máy quan trọng như bàn trượt, bàn dao.
- Thay đổi tốc độ vòng quay trục chính cho phù hợp để giảm hiệu ứng tái sinh. - Nâng cao khảnăng giảm chấn của máy.
- Dùng biện pháp định hướng sao cho lực cắt vuông góc với hướng của máy có độ mềm dẻo động lực học là lớn nhất.
3.6.2 Nhóm biện pháp liên quan đến phôi và dụng cụ gia công
- Dùng các bộ phận đỡ làm tăng độ cứng vững của chi tiết gia công. - Giảm trọng lượng của phôi.
- Sử dụng dao có tác dụng giảm chấn - Giảm trọng lượng dụng cụ cắt.
3.6.3 Nhóm biện pháp liên quan đến quá trình cắt
- Lựa chọn những vật liệu gia công có lực cắt riêng phù hợp - Tăng góc sau của dao, cố gắng sử dụng dao có góc trước < 0.
- Hạn chế chiều dài tham gia cắt của lưỡi cắt. Tăng giá trị của lượng chạy dao. Sự dụng tốc độ cắt rất thấp hoặc rất cao để tránh cực tiểu ổn định.
- Với những dụng cụ cắt có nhiều lưỡi cắt thì nên sử dụng dụng cụ có bước răng phân chia không đồng đều.
Chương 4
RUNG ĐỘNG TRÊN MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN SỐ CNC
4.1. Đặc tính của rung động trong gia công bằng máy công cụ điều khiển số
CNC
Rung động của máy phay CNC là một hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình gia công. Dưới tác dụng của lực cắt, cơ hệ (hệ thống công nghệ) gồm máy phay – đồ gá – dao phay – chi tiết bị rung động. Rung động này gây ra một số tác hại chính như: làm giảm chất lượng bề mặt, gây ra sai sốkích thước của chi tiết gia công, làm lệch các bộ phận của máy dẫn đến giảm độ bền của máy và làm gãy dụng cụ cắt. Trong ba đặc trưng (tần số, biên độ và pha) của rung động thì đặc trưng biên độ gây ảnh hưởng trực tiếp và lớn nhất. Biên độ của rung động phục thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau: chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S) và lượng chạy dao (F). Đây là bốn thông số công nghệ đặc trưng cho chế độ gia công trên máy phay CNC. Trước khi đặt ra bài toán điều khiển máy phay CNC trên cơ sởrung động của máy, cần phải xét đến khả năng có thể thay đổi các yếu tố nào trong bốn thông số công nghệ nêu trên. Để cụ thể tác giảđã chọn máy phay CNC 5 trục V30 sử dụng bộđiều khiển 18MC của hãng Fanuc làm đối tượng nghiên cứu và đã tìm ra một số khảnăng có thểthay đổi các thông số công nghệ(F,S,B,t) như sau:
- Trong quá trình gia công trên máy phay CNC, người vận hành có thể thay đổi trực tiếp vận tốc cắt thông qua hai nút ấn và lượng chạy dao thông qua một công tắc xoay 16 tiếp điểm trên bộđiều khiển CNC.
- Nếu điều khiển máy phay CNC theo phương pháp CNC (computer numerical control) nghĩa là toàn bộchương trình gia công (đường chạy dao gia công) do phần mềm CAM sinh ra sẽđược truyền vào bộ nhớ của bộđiều khiển CNC vì vậy không thểthay đổi được các thông số công nghệtrong chương trình gia công. Do đó chỉ có thểthay đổi hai thông số là vận tốc cắt và lượng chạy dao bằng các nút ấn và công tắc trên bộđiều khiển CNC.
control) nghĩa là từng lệnh gia công (G- code) sẽ được máy tính gửi tới bộ điều khiển CNC. Vì vậy chỉ có thể thay đổi được các thông số công nghệ (F, S, B, t) trong câu lệnh G – code tiếp theo. Câu lệnh mà máy đang thực hiện không thể sửa đổi được. Như vậy khi sử dụng phương pháp này có thể xảy ra trường hợp dụng cụ cắt đã bị gãy trước khi các thông số công nghệ(F, S, B, t) được thay đổi trong câu lệnh G – code tiếp theo.
Trên cơ sở phân tích này, tác giảđề xuất hai phương án như sau:
- Phương án 1: Xấp xỉ (chia nhỏ) từng câu lệnh G – code thành nhiều câu lệnh G – code khác. Số lượng bước chia nhỏ được chọn sao cho có thể kiểm soát được trạng thái rung động của máy. Phương án này cho phép thay đổi được cả bốn thông số công nghệ (F, S, B, t) tuy nhiên sẽ gây ra sai số lớn trong quá trình gia công và chỉ có thểđược áp dụng khi điều khiển máy theo phương pháp DNC.
- Phương án 2: Can thiệp trực tiếp vào phần cứng của bộ điều khiển CNC để thay đổi hai thông số công nghệ là vận tốc cắt và lượng chạy dao nhờ thay thế hai nút ấn và công tắc xoay 16 tiếp điểm bằng các tín hiệu điều khiển từ bên ngoài. Phương án này có ưu điểm bằng các tín hiệu điều khiển từ bên ngoài. Phương án này có ưu điểm là không gây ra sai số trong quá trình gia công và có thể được áp dụng trong cảhai trường hợp điều khiển máy theo phương pháp CNC và DNC.
- Để tránh sai số, tác giả lựa chọn phương án 2.
4.2. Giải pháp kỹ thuật xác định rung động trên máy CNC
Hệ thống đo rung động cho máy phay CNC 5 trục V30 gồm 3 cảm biến đo rung động có dải đo là ±68g với g là gia tốc trọng trường (g = 9,8m/s2). Ba cảm biến đo rung động này được gắn trên chi tiết theo ba phương x, y, z. Vì tín hiệu ra của các cảm biến này rất nhỏ nên cần phải đưa qua bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu (hình 1). Đặc tính chuyển đổi của bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu là hoàn toàn tuyến tính. Đầu ra của bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu là giá trị điện áp một chiều trong khoảng -10V đến 10V. Sử dụng một card biến đổi ADC (Analog Digital Converter) 12 bit để biến đổi các giá trịđiện áp đo được thành các giá trị số. Máy tính sẽ đọc dữ liệu từcard ADC và tính toán đểtìm ra biên độ rung động tổng
hợp của máy phay theo ba phương x, y, x. Dựa vào độ lớn của biên độ rung động tổng hợp, lượng chạy dao sẽđược chỉnh định theo một thuật toán điều khiển thông qua bốn cổng ra số (P1, P2, P3, P4) của card ADC.
Hình 4.1: Mô hình hệ thống đo và xử lý tín hiệu rung động
Tổ hợp của bốn cổng ra số này tạo ra 16 trạng thái khác nhau của lượng chạy dao F (xem bảng 1). Các giá trị của lượng chạy dao trong bảng được tính bằng tỷ lệ