Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:127

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao, tìm mối quan hệ giữa chiều sâu cắt với tốc độ trục chính, các yếu tố của quá trình cắt như: Lực cắt, độ sóng bề mặt, đề ra một số biện pháp nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công phay CNC tốc độ cao. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHAN VĂN HIẾU NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MIỀN ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC BA TRỤC TỐC ĐỘ CAO LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHAN VĂN HIẾU NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MIỀN ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC BA TRỤC TỐC ĐỘ CAO CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY MÃ SỐ: 62.52.04.01 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1- GS.TSKH. BÀNH TIẾN LONG 2 - PGS.TS.HOÀNG VĨNH SINH HÀ NỘI - 2012
1 LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu khoa học phục vụ cho công cuộc “Công nghiệp hoá, hiện đại hoá Đất nước” là việc làm vô cùng quan trọng đối với nước ta hiện nay. Đề tài “ Nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao” để xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác, tìm các thông số tối ưu để nâng cao chất lượng và tính năng sử dụng của máy với sự giúp đỡ của rất nhiều cá nhân và tổ chức. Lời đầu tiên tôi xin được cám ơn Nhà giáo nhân dân.GS.TSKH.Bành Tiến Long, thầy Hướng dẫn khoa học thứ nhất của tôi về sự định hướng và chuẩn bị của Thầy cho chương trình NCS của tôi từ sau khi tôi hoàn thành chương trình Thạc sĩ, cũng như những định hướng chiến lược và những hướng dẫn cụ thể của Thầy trong quá trình tôi làm NCS và viết luận án. Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS. Hoàng Vĩnh Sinh, trưởng Bộ môn GCVL-DCCN - ĐHBK Hà Nội, thầy Hướng dẫn Khoa học thứ hai của tôi về sự tận tình dành cho tôi trong nghiên cứu, những đóng góp quý báu của Thầy trong nghiên cứu và viết luận án đã giúp tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin được cám ơn PGS.TS. Phan Bùi Khôi, viện trưởng viện cơ khí và tập thể các Thầy giáo, Cô giáo trong Viện Cơ khí và đặc biệt tôi xin được cảm ơn thể các Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn GCVL-DCCN – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu. Tôi xin được cám ơn Ban lãnh đạo, cán bộ nhân viên Viện đào tạo và bồi dưỡng Sau đại học – Trường ĐHBK Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình làm nghiên cứu sinh. Tôi xin được cám ơn Ban giám hiệu trường Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Tập đoàn khoa học kỹ thuật Hồng Hải (Foxconn), viện cơ học Việt Nam, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm thí nghiệm. Tôi xin được cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học bách khoa Hà Nội, trường Đại học Công nghiệp TPHCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Ngày 01 tháng 02 năm2012 NCS Phan Văn Hiếu
2 LỜI CAM ĐOAN Nội dung của luận án là các nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết về quá trình phay trên máy phay CNC đi đến thực nghiệm để xây dựng biểu đồ ổn định của cụm dao – máy phay CNC 3 trục tốc độ cao bằng phần mềm Matlab và gia công thực nghiệm để xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao nhằm mục đích giúp cho việc khai thác sử dụng máy phay CNC hiệu quả hơn. Với danh dự của một Giảng viên Đại học, tôi xin cam đoan rằng những nội dung trong luận án này là công trình nghiên cứu của tôi. Nội dung luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án. Tác giả NCS Phan Văn Hiếu
3 MỤC LỤC - Lời cảm ơn …………………………………………………………………………1 - Lời cam đoan………………………………………………………………………..2 - Mục lục……………………………………………………………………………..3 - Danh mục các thuật ngữ và từ viết tắt……………………………………………...5 - Danh mục các bảng biểu……………………………………………………………7 - Danh mục các hình vẽ và đồ thị……………………………………………….……8 MỞ ĐẦU………………………………………… ………………………………..11 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC TỐC ĐỘ CAO………………………………………………...……....15 1.1.Giới thiệu chung về gia công phay CNC tốc độ cao………………………….……15 1.1.1. Khái niệm……………………………………………………………….…....15 1.1.2. So sánh phay tốc độ cao với phay truyền thống ……………………........…16 1.1.3. Ứng dụng……………………………………………………….…………....17 1.2.Khái niệm ổn định…………………………………………………………….….…18 1.2.1. Khái niệm về ổn định và mất ổn định của quá trình cắt…………….…….…18 1.2.2. Biểu đồ ổn định…………………………………………………………...….19 1.2.3. Nguyên nhân gây mất ổn định…………………………………………....….20 1.2.4. Các dạng mất ổn định của quá trình cắt…………………………………...…21 1.2.4.1. Mất ổn định do hiệu ứng tái sinh……………………………………....21 1.2.4.2. Mất ổn định do liên kết vị trí…………………………………………..23 1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quá trình cắt…………………………....24 1.2.6. Các biện pháp nâng cao ổn định của quá trình cắt……………………….….25 1.2.6.1. Nhóm các biện pháp liên quan đến cấu trúc máy……………………..25 1.2.6.2. Nhóm các biện pháp liên quan đến phôi và dụng cụ gia công……..…25 1.2.6.3. Nhóm các biện pháp liên quan đến quá trình cắt…………….………..26 1.3. Kết luận về những thành tựu và hạn chế của các công trình nghiên cứu trong, ngoài nước về ổn định trong gia công phay CNC…………………………………………....26 Chƣơng 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO……………………………………………………………………………….…...31 2.1. Máy và kết cấu máy gia công tốc độ cao……………………………………….…31 2.1.1 Những yêu cầu chung ……………………………………………………….31 2.1.2. Các kết cấu máy gia công tốc độ cao…………………………………….….31 2.1.3. Máy gia công tốc độ cao thường dùng……………………………………...35 2.2. Dụng cụ cắt ……………………………….……………………………………….37 2.3. Quá trình tạo phoi ……………………………………………………………..…..40 2.4. Mô hình lực cắt khi phay tốc độ cao………………………………………….…...43 2.4.1. Các thông số quỹ đạo cắt............................................................................ 43 2.4.2. Nghiên cứu hệ thống lực cắt khi phay tốc độ cao…………………………..45 2.5. Hiện tượng rung động khi phay tốc độ cao…………………………………….…47 2.5.1. Khái niệm về rung động khi phay……………………………………….…..47 2.5.2. Quá trình phát triển rung động……………………………………………….48 2.6. Các phương pháp nghiên cứu ổn định trong quá trình phay tốc độ cao…………..52 2.6.1. Phương pháp phân tích…………………………………….………………....52 2.6.2. Phương pháp số…………………………………………..………………...…55 2.7. Các thông số ảnh hưởng đến tính ổn định……………………………………...….56 2.7.1. Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn………………………………………….…56
4 2.7.2. Ảnh hưởng của tần số dao động tự nhiên………………………….……..…57 2.7.3. Ảnh hưởng của số răng cắt……………………………………………..……59 2.7.4. Ảnh hưởng của chiều rộng ăn dao……………………………………..……60 2.8 Các tiêu chí đánh giá ổn định…………………………………………………...…..61 2.9. Kết luận…..………………………………………………………………….…..…61 Chƣơng 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC BA TRỤC TỐC ĐỘ CAO……………………...62 3.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu tính ổn định quá trình phay……………………....62 3.1.1. Mô hình bài toán nghiên cứu ổn định quá trình phay…………………….…62 3.1.2. Các thông số của hệ thống ảnh hưởng tới biểu độ ổn định……………….…62 3.2. Xây dựng phương pháp đo và đo độ cứng k, hệ số giảm chấn c của hệ thống máy phay tốc độ cao CNC ba trục………………………………………...……………..…..63 3.2.1. Kết quả tác dụng xung lực theo hai phương ox và oy………………………64 3.2.2. Kết quả của quá trình đa rung động……………………………………..…..64 3.3. Xử lý số liệu thực nghiệm……………………………………………………..…...67 3.3.1. Tính toán độ cứng………………………………………………………..…..67 3.3.2. Tính toán khối lượng quy đổi…………………………………………..……67 3.3.3. Tính toán hệ số giảm chấn ………………………………………………..…68 3.4. Chỉ tiêu đánh giá các thông số đầu ra…………………………………………..….69 3.4.1. Nhận biết rung động bằng âm thanh………………………………….…..…71 3.4.2.Nhận biết rung động bằng đo dao động đầu trục trục chính…………..…....73 3.4.3. Nhận biết rung động khi phay bằng sai số hình dáng………………………74 3.4.4.Lực cắt……………………………………………………………………..…78 3.5. Kết luận: …………………………………………………..…………………….…80 Chƣơng 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB XÁC ĐỊNH MIỀN ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC BA TRỤC TỐC ĐỘ CAO…………..82 4.1. Các thông số đầu vào chính………………………………………………..……....82 4.2. Tiêu chí đánh giá ổn định dựa trên phần mềm………………………………….....82 4.3. Xây dựng biểu đồ ổn định bằng phần mềm matlab…………………………….….87 4.3.1. Chương trình tính biểu đồ ổn định theo phương pháp phân tích………….…87 4.3.2. Chương trình tính biểu đồ ổn định theo phương pháp số…………………...87 4.4. Kết quả tính biểu đồ ổn định…………………………………………………….....87 4.5. Đánh giá độ tin cậy của phần mềm bằng phương pháp so sánh………………..…88 4.6. Kết luận………………………………………………………………………….....90 Chƣơng 5: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MIỀN ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC BA TRỤC TỐC ĐỘ CAO……………………………....91 5.1. Nội dung thí nghiệm:……………………………………………………………... 91 5.1.1. Chuẩn bị thí nghiệm……………………………………………………….....91 5.1.2. Tiến hành thí nghiệm…………………………………………………….…..91 5.2. Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm……………………………….…92 5.3. So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm………………………………………....98 5.4. kết luận …………………………………………………………………………...101 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…...…………………………………………..………..102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ………………105 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….....106 PHỤ LỤC…………………………………………………….…………………….…109
5 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT b chiều rộng cắt (m) hệ số giảm chấn theo phương x,y,z (Ns/m) lực hướng tâm (N) lực tiếp tuyến(N) fz tốc độ chạy dao răng(m/răng) hàm tác động giữa dao và phôi chiều dày phoi (m) Hxx hệ số cắt (N/ ) j số răng cắt j Kr hệ số lực cắt hướng tâm (N/ Kt hệ số lực cắt tiếp tuyến (N/ ) khối lượng dụng cụ cắt theo phương x, y,z (kg) n tốc độ vòng quay (vòng/phút) N số răng dụng cụ cắt t thời gian (s) T chu kỳ chuyển động của răng(s) a chiều sâu cắt (mm) x dịch chuyển của dụng cụ cắt theo phương chạy dao x(m) y dịch chuyển của dụng cụ cắt theo vuông góc phương chạy dao y(m) z dịch chuyển của dụng cụ cắt theo phương dọc trục chính (m) vị trí góc của răng thứ j (deg) vị trí góc bắt đầu cắt (deg) vị trí góc kết thúc cắt (deg)  thời gian lặp lại vị trí của răng kế tiếp (s) hệ số giảm chấn tương đối tần số tự nhiên (rad/s) CNC (Computer Numerical Control) - Điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính Px - Lực hướng trục (N) Py - Lực hướng kính (N) Pz - Lực tiếp tuyến (lực cắt chính) (N) T - Tuổi bền dụng cụ
6 U - Lượng mòn dao  - Thời gian gia công R - Sai số gia công theo bán kính H - Hệ số biến cứng bề mặt  - Hiệu suất f - Hệ số ma sát  - Góc sau chính của dao  - Góc cắt của dao  - Góc trước của dao  - Góc lệch chính của dao 1 - Góc lệch phụ của dao  - Nhiệt cắt
7 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 So sánh gia công tốc độ cao và gia công thường 17 Bảng 2.1 So sánh một số máy gia công tốc độ cao trục thẳng đứng của một số 36 hãng nổi tiếng. Bảng 5.1 Số liệu thí nghiệm giữa chiều sâu cắt và tốc độ quay trục chính 92 Bảng 5.2 Số liệu thí nghiệm giữa lượng chạy dao răng và tốc độ quay trục chính 92
8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Tên hình vẽ Trang Chương 1 Hình 1.1 Máy phay cao tốc DNM 400. 15 Hình 1.2 Vùng tốc độ gia công tốc cao một số loại vật liệu 16 Hình 1.3 Đồ thị quá trình phay ổn định và mất ổn định 19 Hình 1.4 Hình dạng cơ bản của một biểu đồ ổn định của quá trình phay 19 Hình 1.5 Hiệu ứng tái sinh 22 Hình 1.6. Mô tả sự rung không tái sinh 23 Hình 1.7. Mô tả động lực học của một răng cắt 27 Hình 1.8 Biểu đồ ổn định dạng túi 27 Hình 1.9. Đặc tính vật lý của máy 28 Hình1.10. Mô hình điều kiện đầu vào 28 Chương 2 Hình 2.1 Kết cấu máy gia công tốc độ cao 31 Hình 2.2 Các loại truyền động trục chính. 32 Hình 2.3 Trục chính của máy gia công tốc độ cao 32 Hình 2.4 Ổ với bi làm bằng ceramic 33 Hình 2.5 Vít me- đai ốc bi 33 Hình 2.6 Bàn xoay trên máy CNC 34 Hình 2.7 Trung tâm phay cao tốc Makino A55 Delta. 36 Hình 2.8 Mảnh hợp kim có CBN ở mũi và mảnh CBN nguyên khối 38 Hình 2.9 Dụng cụ có lớp phủ TiCN 39 Hình 2.10 Sơ đồ quá trình hình thành phoi 40 Hình 2.11 Sự biến dạng kim loại trong vùng cắt 41 Hình 2.12 Các góc phoi 42 Hình 2.13 Các dạng phoi 42 Hình 2.14 Phương trình đường xicloit (trên) và phương trình xấp xỉ bằng 43 đường tròn (dưới) Hình 2.15 Lượng chạy dao khi phay 43 Hình 2.16 Góc dao vào, góc dao ra trong phay nghịch (a) và phay thuận (b) 44 Hình 2.17 Lực cắt khi phay tốc độ cao : a) phay nghịch ;b) Khi phay thuận 45 Hình 2.18 Mô hình quá trình phay tốc độ cao 46 Hình 2.19 Bề mặt gia công ứng với chế độ cắt ổn định và không ổn định 48 Hình 2.20 Tần số rung động của dụng cụ cắt khi ở chế độ ổn định 49 Hình 2.21 Tần số rung động của dụng cụ cắt ở biên giới ổn định 50 Hình 2.22 Tần số rung động của dụng cụ cắt ở chế độ mất ổn định 51 Hình 2.23 Mô hình đơn giản của quá trình cắt giữa dao và phôi 52 Hình 2.24 Sơ đồ hàm truyền lực của hệ thống 52 Hình2.25 Sơ đồ hàm truyền lực rút gọn 52 Hình 2.26 Biểu diễn hàm truyền trên hệ tọa độ ảo 53 Hình 2.27 Biểu diễn cắt 54 Hình 2.28 Đồ thị ổn định được xây dựng từ các đường biên ổn định 54 Hình 2.29 Biểu đồ ổn định khi hệ số giảm chấn theo phương x và y thay đổi 57
9 lần lượt là 0.01, 0.02, 0.04 Hình 2.30 Biểu đồ ổn định khi tần số dao động tự nhiên thay đổi lần lượt là 58 750*2 , 1000*2 , 1500*2 rad/s Hình 2.31 Biểu đồ ổn định khi số răng cắt của dao phay thay đổi lần lượt là 59 1,2,4. Hình 2.32 Biểu đò ổn định khi hệ số chiều rộng ăn dao đổi lần lượt là 0.1, 0.3, 60 0.5 Chương 3 Hình 3.1 Mô hình xây dựng biểu đồ ổn định 62 Hình 3.2 Phương pháp gõ thử để đo các thông số động học của hệ 63 Hình 3.3 Cửa sổ nhận các tín hiệu đo được 64 Hình 3.4 Biểu đồ phổ lực 65 Hình 3.5 Biểu đồ phổ gia tốc 65 Hình 3.6 Biểu đồ phổ chuyển vị 66 Hình 3.7 Biểu đồ chuyển vị theo phương ox 67 Hình 3.8 Phương pháp tính độ giảm chấn Bandwidth 68 Hình 3.9 Đáp ứng tần số của dao động theo phương x 69 Hình 3.10 Sơ đồ nghiên cứu quá trình cắt 70 Hình 3.11 Bài toán xây dựng biểu đồ ổn định 70 Hình 3.12 Sơ đồ thiết lập microphone, accelerometers 71 Hình 3.13 Biểu đồ PSD của tín hiệu microphone ở tốc độ 24000 v/p. Chiều 72 sâu cắt là 4,5; 4,7; 4,9; 5,0 mm cho hình a, b, c, d. Hình 3.14 Biểu đồ PSD của accelerometers ở tốc độ quay 20000v/p. Chiều 73 sâu cắt là 4,5; 4,7; 4,9; 5,0 mm cho hình a, b, c, d Hình 3.15 Sai số hình dáng 74 Hình 3.16 Các yếu tố hình học của lớp bề mặt.1- Sóng bề mặt, 2-nhấp nhô bề 75 mặt. Hình 3.17 Thuật giải bài toán xây dựng biểu đồ sóng bề mặt 76 Hình 3.18 Đồ thị sóng bề mặt 77 Hình 3.19 Đồ thị sóng bề mặt khi chế độ gia công mất ổn định 77 Hình 3.20 Đồ thị sóng bề mặt khi chế độ gia công ổn định 78 Hình 3.21 Thuật giải bài toán xây dựng biểu đồ lực cắt 78 Hình 3.22 Đồ thị lực cắt Fx(N) theo thời gian lần cắt 1 79 Hình 3.23 Đồ thị lực cắt Fx(N) theo thời gian lần cắt 7 79 Hình 3.24 Đồ thị lực cắt Fy(N) theo thời gian lần cắt 27 80 Chương 4 Hình 4.1 Biểu đồ sóng bề mặt ứng với chế độ gia công ổn định 83 Hình 4.2 Biểu đồ sóng bề mặt ứng với chế độ gia công mất ổn định 83 Hình 4.3 Rung động theo phương x và y và lực cắt tác dụng lên dao cắt trong 84 trường hợp ổn định. Hình 4.4 Rung động theo phương x, y và lực cắt tác dụng lên dao cắt trong 85 trường hợp mất ổn định. Hình 4.5. Rung động theo phương x, y và lực tác dụng lên dao cắt trong trường 86 hợp ổn định Hình 4.6 Chương trình tính toán biểu đồ ổn định 87
10 Hình 4.7. Chương tình tính biểu đồ ổn định bằng phương pháp số 87 Hình 4.8. Biểu đồ ổn định xây dựng bằng phần mềm matlab 88 Hình 4.9 Kết quả mô phỏng của Faassen’s mô hình phi tuyến 89 Hình 4.10 Kết quả mô phỏng matlab mô hình tuyến tính 89 Hình 4.11 Kết quả mô phỏng với CutPro 89 Hình 4.12 Kết quả mô phỏng với matlab 90 Chương 5 Hình 5.1 Biểu đồ lực theo phương ox, oy và oz với vận tốc n=10000vg/ph 93 chiều sâu cắt t=1,2mm Hình 5.2 Biểu đồ sóng bề mặt với vận tốc n=10000vg/ph chiều sâu cắt 94 t=1,2mm Hình 5.3 Biểu đồ lực cắt với vận tốc n=7000vg/ph chiều sâu cắt t=0,75mm 95 Hình 5.4 Biểu đồ sóng bề mặt với vận tốc n=7000vg/ph chiều sâu cắt 96 t=0,75mm Hình 5.5 Biểu đồ biến dạng bề mặt ở chế độ gia công thực nghiệm 97 Hình 5.6 Biểu đồ giữa lượng chạy dao răng và tốc độ quay trục chính 98 Hình 5.7 Biểu đồ miền ổn định theo phương pháp mô phỏng số 99 Hình 5.8 Biểu đồ miền ổn định thực nghiệm 99 Hình 5.9 So sánh kết quả lý thuyết và cắt thử 100
11 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Sự nghiệp đổi mới nền kinh tế đất nước nhằm đưa nước ta ra khỏi tình trạng nghèo nàn, chậm phát triển đã được Đảng khởi xướng và lãnh đạo thực hiện trong 25 năm qua. Để thực hiện được mục tiêu “Công nghiệp hoá, hiện đại hoá Đất nước” thì việc phát triển khoa học công nghệ nói chung và khoa học công nghệ trong cơ khí nói riêng càng trở nên quan trọng và cấp thiết hơn bao giờ hết. Từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX đến nay, rất nhiều doanh nghiệp trong nước đã trang bị nhiều loại máy móc, thiết bị sử dụng kỹ thuật CNC (Computer Numerical Control) nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm. Do đó nhu cầu nhập khẩu máy CNC ngày càng tăng. Để dần dần nội địa hóa được loại sản phẩm quan trọng này, nhà nước đã mạnh dạn đầu tư vào lĩnh vực sản xuất máy công cụ CNC. Vì đây là một lĩnh vực công nghệ cao và mới bắt đầu được thực hiện ở Việt Nam nên còn nhiều hạn chế cần được nghiên cứu và hoàn chỉnh dần như: - Thiết kế máy tối ưu - Đánh giá độ ổn định của máy - Nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại máy này ? Trong đó, nâng cao năng suất gia công trên máy CNC hiện nay (đặc biệt là máy phay CNC) đang là vấn đề cấp thiết. Việc này được thực hiện bằng cách lựa chọn chế độ gia công hợp lý (tối ưu). Chế độ cắt tối ưu là chế độ cắt cho năng suất cao (vận tốc cắt lớn, chiều sâu cắt lớn) nhưng chất lượng bề mặt vẫn đảm bảo (rung động ít – chế độ gia công ổn định). Đề tài “ Nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao” được lựa chọn nhằm mục đích nghiên cứu xây dựng biểu đồ ổn định của máy và từ đó tìm được chế độ cắt hợp lý quá trình phay CNC, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy phay CNC trong sản xuất cơ khí nói riêng và là cơ sở để nghiên cứu cho các máy tương tự. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao, tìm mối quan hệ giữa chiều sâu cắt với tốc độ trục chính, các yếu tố của quá trình cắt như: Lực cắt, độ sóng bề mặt, đề ra một số biện pháp nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công phay CNC tốc độ cao.
12 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Ổn định có quan hệ với độ cứng vững của hệ thống công nghệ, thông số hình học của dụng cụ cắt, điều kiện cắt, chế độ cắt và những yếu tố khác. Tuy nhiên đối tượng nghiên cứu của đề tài được chọn là: Mối quan hệ của các yếu tố chế độ cắt với ổn định của quá trình phay CNC tốc độ cao khi những điều kiện biên khác đã xác định như sau: - Máy thực nghiệm: là máy phay CNC “DNM 400”. - Vật liệu gia công là thép C45. - Vật liệu làm dụng cụ cắt là Dao phay hợp kim cứng (OSGb10-JPN 7600), 4 răng cắt của Nhật Bản. - Đối tượng gia công là mặt phẳng. - Thiết bị đo độ cứng, đo hệ số giảm chấn, đo lực cắt, đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt, ( hãng Mitutoyo – Nhật Bản, Kistler- Thuỵ sỹ).  Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu ảnh hưởng của chiều sâu cắt, tốc độ quay trục chính, tìm miền ổn định dựa vào chi tiêu lực cắt, độ sóng bề mặt, cụ thể: - Tốc độ phay từ 2000 vg/ph đến 20000 vg/ph - Chiều sâu cắt từ 0.15 mm đến 1.65 mm 4. Nội dung nghiên cứu Luận án gồm các chương và phần phụ lục sau: Chương 1: Tổng quan về ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao Chương này là góc nhìn tổng quan về gia công phay CNC tốc độ cao, những thành tựu nghiên cứu đã đạt ở trên thế giới cũng như trong nước. Những tồn tại cần giải quyết, từ đó đưa ra mục tiêu và hướng nghiên cứu tiếp theo. Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình phay CNC tốc độ cao Chương này trình bày các nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cắt và các hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt, cơ sở khoa học, các giả thiết, các đặc điểm công nghệ của phương pháp phay CNC tốc độ cao. Chương 3: Xây dựng mô hình nghiên cứu tính ổn định khi gia công trên máy CNC tốc độ cao
13 Chương này trình bày các vấn đề về xây dựng mô hình biểu đồ ổn định, xác định các thông số đầu vào của hệ thống công nghệ, các chỉ tiêu đánh giá các thông số đầu ra của mô hình. Chương 4: Ứng dụng phần mềm matlab xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao Chương này trình bày các vấn đề để xây dựng mô hình toán xác định lực cắt, độ sóng bề mặt phụ thuộc vào các yếu tố chế độ cắt khi phay trên máy CNC. Sử dụng các phương pháp số và phương pháp phân tích để xây dựng biểu đồ ổn định Xây dựng phần mềm matlab vẽ biểu đồ ổn định khi gia công phay CNC. Chương 5: Thực nghiệm xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao Chương này nghiên cứu thực nghiệm xây dựng hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa chế độ cắt với lực cắt, độ sóng bề mặt khi phay trên máy phay CNC tốc độ cao. Thực nghiệm kiểm chứng độ tin cậy của biểu đồ ổn định được xây dựng ở chương 4 . 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học: Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận án đã đưa ra được các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa lực cắt, độ sóng bề mặt với chế độ cắt làm cơ sở cho việc tìm miền ổn định quá trình cắt cũng như cho các nghiên cứu khác của quá trình cắt. Đồng thời trên cơ sở đó luận án đã xây dựng được bài toán tìm miền ổn định của quá trình gia công phay CNC tốc độ cao với điều kiện biên là độ sóng bề mặt, lực cắt và các ràng buộc là các điều kiện về máy, về dụng cụ, về chất lượng bề mặt... của quá trình cắt. và thiết kế phần mềm trợ giúp lựa chọn chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy phay CNC 3 trục tốc độ cao. * Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu xây dựng biểu đồ ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao có ý nghĩa thực tiễn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất như sau: - Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình cắt - Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi viết chương trình gia công NC trong quá trình chuẩn bị sản xuất được hợp lý hơn, hiệu quả khai thác, sử dụng máy phay CNC tốt hơn. Góp phần vào việc nâng cao năng suất và hạ giá thành sản
14 phẩm. Đây là một yếu tố có ý nghĩa rất lớn đối với sự phát triển của doanh nghiệp trong môi trường sản xuất kinh doanh luôn phải đối mặt với sự cạnh tranh khốc liệt hiện nay trên thị trường cũng như trong quá trình hội nhập. - Đạt được khả năng cho năng suất cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt theo yêu cầu trong sản xuất ngay cả khi số lượng sản phẩm không nhiều - Tạo ra phần mềm lựa chọn với các ràng buộc mở, cho phép doanh nghiệp lựa chọn điều kiện ràng buộc phù hợp với thực tiễn sản xuất, chẳng hạn như khi phải sử dụng dao phay đặc biệt, giá thành cao thì đưa vào yêu cầu về tuổi bền dao phay cao, phần mềm tính toán sẽ lựa chọn được chế độ cắt phù hợp với yêu cầu đó. 6. Phương pháp nghiên cứu Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. - Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt với một số yếu tố khác như lực cắt, độ sóng bề mặt gia công. - Thực nghiệm cắt thử để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa chế độ cắt với các yếu tố của quá trình cắt như : lực cắt, độ sóng bề mặt. - Thực nghiệm trên máy để xây dựng các hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa chế độ cắt với các yếu tố của quá trình cắt như: lực cắt, độ sóng bề mặt. - Ứng dụng công nghệ thông tin: Sử dụng kỹ thuật mô phỏng số 7. Kết luận Đưa ra những kết quả mới của luận án trong lý thuyết và thực tế sản suất, đề xuất các kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo. Phần phụ lục bao gồm kết quả đo độ sóng, đo lực cắt và phần cơ sở toán học, kết quả xử lý số liệu, một số hình ảnh thí nghiệm.
15 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC TỐC ĐỘ CAO 1.1.Giới thiệu chung về gia công phay CNC tốc độ cao 1.1.1. Khái niệm Hiện nay gia công tốc độ cao (High Speed Machining-HSM) được xem là một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy. Thực ra gia công tốc độ cao không mới, nó đã được thực hiên cách đây hơn 30 năm. Gần đây, với sự phát triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những công nghệ liên quan như máy tính, dụng cụ cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM, thì gia công tốc độ cao ngày càng được quan tâm hơn. Các ứng dụng chủ yếu thúc đẩy công nghệ theo hướng gia công tốc độ cao là: chế tạo khuôn mẫu, chế tạo các chi tiết ngành ô tô và gia công các chi tiết ngành hàng không. Hình 1.1 Máy phay cao tốc DNM 400. Hình 1.1 là máy gia công tốc độ cao DNM 400 với tốc độ trục chính là 20.000vg/ph, tốc độ chạy dao nhanh lên đến 300m/ph. Trong một số trường hợp người ta cũng có thể sử dụng máy truyền thống để gia công tốc độ cao. Rất khó để nêu lên một định nghĩa chung về gia công tốc độ cao. Tốc độ gia công thì rất cụ thể cho từng ứng dụng. Ví dụ gia công tốc độ cao, khi gia công thép vào khoảng 800m/ph nhưng giá trị này vẫn chưa phải là giá trị tốc độ gia công khi gia công tốc độ cao gang. Nói chung, để định nghĩa gia công tốc độ cao cần dựa vào các yếu tố sau: tốc độ cắt cao, tốc độ quay của trục chính cao, lượng chay dao cao
16 và năng suất cao. Tốt nhất là nói rằng gia công tốc độ cao có nghĩa là cắt gọt vật liệu nhanh hơn bình thường cho những công đoạn cụ thể. Ngoài ra các yếu tố khác như chế độ gia công, vật liệu dụng cụ cắt cũng có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình gia công tốc độ cao. Dải tốc độ cắt trong gia công tốc độ cao cho các vật liệu khác nhau được trình bày ở hình 1.2 dưới đây: Hình 1.2 Vùng tốc độ gia công tốc cao một số loại vật liệu. 1.1.2. So sánh phay tốc độ cao với phay truyền thống Gia công tốc độ cao vật liệu cứng có những khác biệt đáng kể so với các phương pháp gia công truyền thống vật liệu mềm. Bởi vì vật liệu trong gia công tốc độ cao có độ cứng cao hơn nên lực cắt sinh ra khi gia công tốc độ cao cũng lớn hơn. Vì thế lượng ăn dao khi gia công tốc độ cao phải được giới hạn. Trong hầu hết các trường hợp, mảnh hợp kim dùng trong gia công tốc độ cao phải có góc trước âm. Góc trước âm tạo điều kiện cắt gọt tốt cho lưỡi cắt vì tốc độ càng cao, chiều sâu cắt tương đối nhỏ và lực cắt tập trung ở đó. Tuy nhiên, đôi khi doa lỗ thì góc trước dương là tốt nhất. Tương tự như vậy, để bảo vệ lưỡi cắt không bị mẻ, trên mảnh hợp kim người ta vát mép các lưỡi cắt hoặc bo tròn. Gia công thông thường bị giới hạn bởi độ cứng của vật liệu. Trong khi đó dải vật liệu được gia công bằng gia công tốc độ cao không hạn chế, ngay cả đối với thép rèn đã tôi, thép gió, và hợp kim cứng bề mặt stellites. Việc hợp kim stellites có thể được gia công bằng gia công tốc độ cao đã mở rộng khả năng của gia công tốc cao kể cả công việc sửa chữa. Nhiệt sinh ra trong vùng cắt gọt khi gia công tốc độ cao khá cao, có thể lên đến khoảng 930oC và vì thông thường người ta gia công tốc độ cao mà không dùng dung dịch trơn nguội nên bề mặt đã gia công tốc độ cao có thể bị hư hại do nhiệt. Cấu trúc vi mô của lớp bề mặt bị thay đổi và tồn tại ứng suất dư trên lớp bề mặt.
17 Bảng 1.1. So sánh gia công tốc độ cao và gia công thường Các thông số Gia công thường Gia công tốc độ cao Tốc độ trục chính (vg/ph) 4.000 8.000 - 50.000 Tốc độ chạy dao trên các trục (mm/ph) 10.000 2.500 - 60.000 Tốc độ chạy dao nhanh (mm/ph) 20.000 20.000 - 60.000 Gia tốc (g) - 0,5 - 2,0 Gia công tốc độ cao có nhiều ưu điểm so với gia công truyền thống, một vài ưu điểm đó là kết quả trực tiếp của cách bóc vật liệu khi gia công tốc độ cao. Ưu điểm đáng kể nhất của gia công tốc độ cao là có thể dùng cùng một dụng cụ mà vẫn gia công được nhiều chi tiết có hình dáng khác nhau bằng cách thay đổi đường chạy dao. Ngoài những ưu điểm đã nêu ở các phần trên, việc áp dụng công nghệ gia công tốc độ cao để gia công lần cuối các chi tiết còn mang lại những lợi ích sau: - Giảm thời gian chu kì gia công một sản phẩm. - Giảm chi phí đầu tư thiết bị. - Tăng độ chính xác. - Đạt độ bóng bề mặt cao. - Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 – 4 lần), nâng cao năng suất gia công. 1.1.3. Ứng dụng Phay tốc độ cao hợp kim nhôm nổi tiếng nhất và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ trong những thập kỷ qua. Gần đây, gia công tốc độ cao còn ứng dụng trong việc gia công các vật liệu cứng, gia công sản xuất khuôn mẫu, khuôn đúc. Vật liệu gia công cho phay tốc độ cao thường là Gang, D2 (59 HRC), thép P20 (30HRC) và H13 (46 HRC) …. Các gang hợp kim với mác GM đặc biệt là GM241 (ở độ cứng của 210 HB) chủ yếu sử dụng cho sản xuất khuôn dập. Thép P20 dùng phổ biến nhất cho khuôn đúc thổi. Do có thành phần các-bon thấp, nó thường được gia công tại trước trạng thái tôi (30 HRC) rồi sau đó mới tôi cứng đến 50 ÷ 55 HRC. Trong khuôn đúc làm việc ở nhiệt độ cao, thường dùng thép khuôn H13 được gia công ở độ cứng đến 46 HRC.
18 1.2.Khái niệm ổn định 1.2.1. Khái niệm về ổn định và mất ổn định của quá trình cắt Trong quá trình gia công kim loại, muốn đạt được độ chính xác và độ bóng bề mặt cao đồng thời nâng cao được tuổi bền của dụng cụ thì điều quan trọng là hệ thống công nghệ máy - dụng cụ - chi tiết gia công – hệ thống đo không được rung động hoặc rung động ở mức độ nhỏ cho phép [1-tr225]. Trong thực tế không có quá trình cắt nào mà hệ thống công nghệ không rung động. Rung động là hiện tượng kèm theo trong quá trình cắt trên máy công cụ. Trong những điều kiện nhất định rung dộng này có thể tăng trưởng gây mất ổn định của quá trình gia công, làm xấu các chỉ tiêu kinh tế và chất lượng bề mặt sản phẩm. Sau đây là định nghĩa về ổn định đã được khái quát bởi David A. Stephenson và John Agapiou- [17-732]. Một quá trình cắt gọi là mất ổn định khi xuất hiện rung động ngày càng tăng, khi đó dụng cụ cắt rung động với biên độ ngày càng tăng hoặc dần dần xa vị trí cân bằng cho đến giới hạn xác định. Một quá trình cắt 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 công nghệ được gọi là mất ổn định tĩnh học nếu nguyên nhân gây rung động là những lực kích thích phụ thuộc vào vị trí. Một hệ thống được gọi là mất ổn định động học nếu nguyên nhân gây rung động phụ thuộc vảo vận tốc. Hình 1.3.a Biểu diễn chế độ gia công ổn định, vì biểu đồ theo phương z là hội tụ Hình 1.3.b Biểu diễn chế độ gia công không ổn định, vì biểu đồ theo phương z là phân kỳ.