Lý do ch ọn đề tài
Trong ngành sản xuất, đặc biệt là sản xuất sản phẩm cơ khí, việc áp dụng dây chuyền tự động hóa, đặc biệt là phương thức sản xuất linh hoạt, là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm Máy điều khiển số CNC đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất linh hoạt, giúp giảm khối lượng gia công, tăng độ chính xác, nâng cao hiệu suất và rút ngắn chu kỳ sản xuất Do đó, máy CNC đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, đặc biệt cho các chi tiết phức tạp với yêu cầu độ chính xác cao.
Sự phát triển của các loại hình sản xuất đã dẫn đến việc cải tiến chất lượng chi tiết gia công, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc và tuổi thọ của chi tiết máy Độ chính xác về kích thước hình học và độ nhám bề mặt là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng chi tiết gia công, phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật như loại dụng cụ cắt, cách gá dao, vật liệu dao, chế độ cắt và đặc biệt là rung động trong quá trình cắt Rung động, đặc biệt là rung động tự kích thích, có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và chất lượng gia công Để đáp ứng yêu cầu độ chính xác cao trong gia công các chi tiết phức tạp, hiện nay người ta thường sử dụng máy điều khiển số nhiều trục.
Khi số trục của máy công cụ điều khiển số tăng, khả năng gia công cũng gia tăng; tuy nhiên, sự phức tạp trong kết cấu dẫn đến tăng rung động, ảnh hưởng xấu đến chất lượng chi tiết gia công Do đó, cần tìm giải pháp để giảm rung động trong quá trình gia công trên máy điều khiển số nhiều trục, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng máy.
Xuất phát từ nhu cầu đó cùng với điều kiện nghiên cứu, tác giả chọn đề tài:
“Nghiên c ứu ảnh hưởng của rung động phát sinh trong quá trình cắt tới chất lượng chi tiết gia công trên máy CNC 5 trục”
Lịch sử nghiên cứu
Lĩnh vực nghiên cứu rung động trong gia công vẫn chưa phổ biến tại Việt Nam Đề tài gần đây nhất là "Nghiên cứu bằng thực nghiệm đặc tính của rung động tự kích thích và ảnh hưởng của bước tiến dao đến sự tăng trưởng của nó trong quá trình cắt kim loại với sự trợ giúp của máy tính," được thực hiện bởi Ngô Đức Hạnh từ trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên vào năm 2008.
Nhiều tác giả trên thế giới đã nghiên cứu ảnh hưởng của rung động đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công Năm 2007, Safeen Y Kassab và Younis K Khoshnaw đã chỉ ra rằng rung động của dao có tác động đáng kể đến chất lượng bề mặt trong quá trình tiện khô Đồng thời, S.S Abuthakeer, P.V Mohanram và G Mohankumar cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của rung động trục quay đến chất lượng bề mặt chi tiết trong cùng một quy trình.
Năm 2011, một nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu về rung động trong quá trình phay nhằm nâng cao chất lượng gia công tinh bề mặt cho các vật liệu khó cắt vào năm 2013.
Các lu ận điểm cơ bản và đóng góp mớ i
Nội dung luận văn được chia thành 5 chương, cuối luận văn là kết luận chung và kiến nghịcho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm :
* Chương 1 : Tổng quan về sựrung động trong gia công cơ khí
* Chương 2 : Rung động tự kích thích theo quan điểm năng lượng của quá trình cắt
* Chương 3 : Các yếu tốảnh hưởng đến rung động tự kích thích
* Chương 4 : Rung động trên máy công cụđiểu khiển số CNC
* Chương 5: Thực nghiệm xác định sựrung động và những tác động của rung động đến chất lượng chi tiết gia công trên máy phay CNC 5 trục
* Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Phương pháp nghiên cứ u
- Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm
Trong gia công cơ khí, việc xây dựng cơ sở lý thuyết về rung động là rất quan trọng Các phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, cùng với phương pháp suy luận logic, được áp dụng để hiểu rõ hơn về hiện tượng rung động Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình gia công mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của rung động đến chất lượng chi tiết gia công trên máy phay CNC 5 trục Qua việc đo đạc và xử lý số liệu thực nghiệm, chúng tôi đã xác định được mối liên hệ giữa rung động và độ chính xác của sản phẩm gia công Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp những thông tin quý giá cho việc cải thiện quy trình gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm.
- Từ kết quả thực nghiệm, tiến hành so sánh, tìm ra quy luật ảnh hưởng và đưa ra phương án tốt nhất cho quá trình gia công
Thí nghiệm gia công chi tiết trên máy phay CNC 5 trục đã được thực hiện với phôi thép C45, sử dụng dao phay ngón làm dụng cụ cắt Kết quả thu được từ nghiên cứu lý thuyết đã được áp dụng trong quá trình gia công.
- Khi xử lý dữ liệu thực nghiệm dùng phương pháp…
TỔ NG QUAN V Ề S Ự RUNG ĐỘ NG TRONG GIA CÔNG CƠ KHÍ
Rung động trong quá trình gia công
Rung động là các dao động cơ học phát sinh từ sự dịch chuyển có chu kỳ của vật thể quanh vị trí cân bằng Trong quá trình hoạt động, các máy móc và thiết bị thường tạo ra rung động do tác động của lực kích thích, đặc biệt là trong gia công, nơi không có quá trình nào mà máy công cụ không bị ảnh hưởng bởi rung động Hiện tượng này rất phổ biến trong tự nhiên và kỹ thuật, và nó có thể xảy ra ở bất kỳ vật thể nào có khối lượng và tính đàn hồi Rung động không chỉ ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng chi tiết gia công mà còn tác động xấu đến các chỉ tiêu kinh tế, với cường độ khác nhau tùy thuộc vào hệ thống công nghệ và chế độ gia công.
Rung động có thể gây ra các hậu quảnhư:
- Giảm độ chính xác hình học và độ bóng của bề mặt gia công, đặc biệt là với nguyên công gia công tinh
Sự mất ổn định của máy và việc phá hủy cơ học các dụng cụ cắt gây ra hiện tượng mòn nhanh, dẫn đến giảm tuổi thọ của các chi tiết máy và dụng cụ cắt gọt, đồng thời làm giảm độ chính xác của máy.
- Làm giảm năng suất gia công, ảnh hưởng đến các chỉ tiêu về kinh tế
- Gây tiếng ồn và ảnh hưởng đến sức khỏe công nhân.
Các lo ại hình rung động trong gia công cơ khí bằ ng máy công c ụ và nguyên nhân
Rung động cưỡng bức xảy ra khi có ngoại lực tác động lên hệ thống công nghệ, bao gồm máy, dụng cụ cắt và chi tiết gia công Nguyên nhân gây ra rung động này có thể đến từ nhiễu bên ngoài truyền qua đế máy và nhiễu bên trong hệ thống công nghệ.
- Các chi tiết quay nhanh không cân bằng
- Các bộ truyền động ăn khớp được chế tạo không chính xác hoặc bị mòn gây va đập trong quá trình ăn khớp
- Ổ bi, đặc biệt là ổ bi trục chính bị mòn
Tải trọng động xuất hiện khi tăng tốc hoặc giảm tốc các bộ phận nặng, gây ra lực cắt biến đổi khi cắt bề mặt không liên tục hoặc do va chạm của răng dao trong quá trình gia công Đặc điểm của rung động cưỡng bức là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong các ứng dụng cơ khí.
Hệ thống công nghệ sẽ rung động theo tần số của lực kích thích, trong khi biên độ rung động lại phụ thuộc vào biên độ của lực kích thích và độ cứng vững động lực học của hệ thống.
Khi lực kích thích biến đổi theo chu kỳ và tần số kích thích gần bằng tần số dao động riêng của hệ, hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra, dẫn đến việc rung động xuất hiện với biên độ rất lớn.
- Đối với lực kích thích dạng xung thì hệrung động với tần sốriêng và biên độ rung động sẽ tắt dần
Rung động cưỡng bức xảy ra khi có sự thay đổi lực cắt, đặc biệt là khi cắt trên các bề mặt gián đoạn Tần số rung động trong trường hợp này thường tương ứng với tần số quay của trục chính hoặc dụng cụ cắt.
Rung động cưỡng bức làm giảm chất lượng gia công, đặc biệt là trong quá trình gia công tinh Hiện tượng này ảnh hưởng mạnh mẽ khi tần số kích thích gần với tần số riêng của hệ thống Trong quá trình phay, rung động cưỡng bức có thể gây mất ổn định khi tốc độ vòng quay của dao đủ lớn, khiến tần số vào cắt của răng dao trùng với tần số riêng của hệ Tần số này được xác định theo công thức: f n.z H z.
Để giảm hoặc loại bỏ các rung động cưỡng bức, cần khử nguồn gây kích thích hoặc điều chỉnh tần số kích thích Việc thay đổi tần số kích thích theo chu kỳ sao cho không gần với tần số riêng của hệ thống cụ thể là phương pháp hiệu quả.
- Xây dựng bệ máy tốt
- Loại bỏ sai số trong truyền động máy
- Cân bằng tĩnh và cân bằng động các chi tiết chuyển động quay
- Chọn tốc độ quay trục chính và sốrăng dao hợp lý
- Sử dụng thiết bị thu giảm rung
Rung động riêng trong hệ thống máy và dụng cụ cắt là kết quả của va đập, đặc biệt khi dụng cụ bắt đầu vào cắt Mặc dù rung động này thường không đáng kể do nó tắt dần nhanh chóng, nhưng nó vẫn có ý nghĩa trong việc xác định đặc tính của quá trình dao động, hỗ trợ nghiên cứu các hiện tượng rung động trong quá trình cắt.
1 2.3 Rung động tự kích thích
Rung động tự kích thích là hiện tượng rung động phát sinh từ chính quá trình cắt Hiện tượng này xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau trong quá trình cắt.
- Sự biến động của lực cắt mà sự biến động đó là do sự biến động của tốc độ cắt hoặc của tiết diện lớp cắt
- Do sự hình thành và phá huỷ lẹo dao
- Sự biến động trong thành phần của vật liệu làm phôi
- Do hiệu ứng tái sinh
- Do liên kết vị trí (tự rung không tái sinh).
1.2.3.1 Sự biến động của lực cắt
Khi tốc độ cắt kim loại tăng, lực cắt sẽ giảm, và sự giảm này là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng rung động ở máy công cụ Theo lý thuyết năng lượng, sự ổn định của quá trình cắt có thể được mô tả bằng phương trình cân bằng năng lượng.
Công suất tạo phôi được xác định:
P là lực tạo phôi (thành phần lực tiếp tuyến), với quá trình phay:
K- Lực cắt riêng của vật liệu gia công (N/m 2 )
Sz- Bước tiến dao răng (m)
Zc- Sốrăng đồng thời cắt của dao phay
Công suất tới hạn ổn định (Qk) trong quá trình tạo phôi là giá trị công suất mà khi nhu cầu năng lượng vượt quá mức này, hệ thống công nghệ sẽ bắt đầu mất ổn định.
Pk là lực tạo phôi tối đa tại một tốc độ xác định (N) Khi lực tạo phôi trong quá trình cắt vượt quá giá trị này, hệ thống công nghệ sẽ bắt đầu mất ổn định.
Tại một vị trí gia công, theo một phương xác định, công suất tạo phôi tới hạn khi cắt với tốc độ V1 là:
Tương tự, công suất tạo phôi tới hạn khi cắt với tốc độ V2:
Lý thuyết về tự rung và ổn định trong quá trình cắt cho thấy năng lượng tới hạn ổn định tại mỗi vị trí gia công là không đổi Cụ thể, ta có mối quan hệ Qk1 = Qk2 hay Pk1.V1 = Pk2.V2, cho thấy sự tương đương giữa các yếu tố năng lượng trong quá trình gia công.
Công thức này mô tả mối quan hệ giữa lực tạo phôi và tốc độ cắt, đồng thời lượng hóa hiệu ứng suy giảm lực cắt tiếp tuyến khi tốc độ cắt tăng Hiện tượng rung động có thể được gây ra bởi nguyên nhân này.
Sự biến động của lực cắt phụ thuộc vào diện tích lớp cắt và tốc độ cắt, trong khi kích thước lớp cắt cũng ảnh hưởng đến biên độ rung động theo những cách khác nhau.
Các lu ận điể m
Lu ận điểm thứ nhất : Luận điểm về nguồn năng lượng của rung động
Mỗi dao động đều có nguồn năng lượng tương ứng, đặc biệt là năng lượng từ quá trình cắt trong rung động tự kích thích Ba yếu tố chính của chế độ cắt, bao gồm tốc độ cắt, bước tiến dao và chiều sâu cắt, đồng thời tác động dưới các điều kiện biên xác định, tạo ra nhu cầu năng lượng cho quá trình cắt Năng lượng của quá trình cắt, ký hiệu là Q, được thể hiện qua công suất tiêu thụ của quá trình đó.
Trong đó: V – tốc độ cắt (m/s)
K – lực cắt riêng của vật liệu tại tốc độ V (N/m 2 )
K là lực cắt riêng của vật liệu gia công tại tốc độ cắt V, và nó không phải là một hằng số mà là hàm của nhiều biến số, trong đó tốc độ cắt đóng vai trò quan trọng.
Lu ận điểm thứ hai : Luận điểm về khảnăng hấp thụnăng lượng của hệ thống công nghệ
Mỗi hệ thống công nghệ sở hữu khả năng hấp thụ năng lượng riêng biệt, và khả năng này khác nhau theo các hướng trong hệ tọa độ máy Sự khác biệt này phụ thuộc vào độ cứng vững của từng hướng trong hệ thống công nghệ.
Lu ận điểm thứ ba : Luận điểm về bản chất năng lượng của rung động tự kích thích
Năng lượng trong quá trình cắt kim loại được cung cấp từ lưới điện và chuyển đổi thành cơ năng tại vùng cắt Năng lượng này sau đó được truyền qua thân và bệ máy, cuối cùng đi vào lòng đất để hấp thụ Trong suốt quá trình, dòng năng lượng làm cho hệ thống dao động, tạo ra rung động tự kích thích, một thuộc tính cố hữu của quá trình cắt kim loại.
Khi dòng năng lượng vượt quá khả năng hấp thụ của hệ thống công nghệ, hiện tượng rung động tự kích thích sẽ diễn ra nhanh chóng, dẫn đến sự rung động mạnh mẽ của hệ thống gia công Điều này phản ánh bản chất năng lượng phát sinh từ sự phát triển của rung động tự kích thích.
Hình 2.1: Đường truyền năng lượng tới hạn ổn định của quá trình cắt
Lu ận điểm thứ tư : Luận điểm vềnăng lượng tới hạn của quá trình cắt
Mức năng lượng lớn nhất mà hệ thống công nghệ có thể hấp thụ được gọi là năng lượng tới hạn trong quá trình cắt Tại mỗi vị trí gia công, năng lượng tới hạn này ổn định theo một hướng xác định trong hệ tọa độ của máy, và được xem như một hằng số.
Theo quan điểm năng lượng điều kiện ổn định của quá trình cắt được phát biểu:
Quá trình cắt sẽ duy trì sự ổn định ở một tốc độ xác định nếu năng lượng của quá trình không vượt quá khả năng hấp thụ năng lượng của hệ thống gia công, tức là chưa đạt đến trị số năng lượng tới hạn ổn định.
Nếu gọi Q là năng lượng của quá trình cắt bất kỳ, thì điều kiện đó được biểu thị:
Theo mối quan hệ giữa năng lượng cắt và diện tích cắt, điều kiện ổn định có thể được diễn đạt thông qua diện tích cắt.
Fk là trị số xác định của diện tích cắt, cho biết rằng khi diện tích cắt trong quá trình cắt không vượt quá giá trị này, quá trình sẽ duy trì ổn định Tuy nhiên, nếu diện tích cắt vượt quá trị số Fk, sẽ dẫn đến hiện tượng rung động trong quá trình cắt.
- Nếu F < Fk – Quá trình cắt ổn định
- Nếu F = Fk – Quá trình cắt ở trạng thái tới hạn ổn định
- Nếu F > Fk – Quá trình cắt gây rung động
Từ biểu thức trên, điều kiện ổn định của quá trình cắt được khái quát như sau:
“Ở một cấp tốc độ xác định, quá trình cắt vẫn ổn định nếu diện tích cắt chưa vượt quá giá trị tới hạn.”
CÁC Y Ế U T Ố ẢNH HƯỞNG ĐẾN RUNG ĐỘ NG T Ự KÍCH THÍCH
Ảnh hưở ng c ủ a máy
Ảnh hưởng của máy đến rung động được thể hiện qua độ mềm dẻo động lực học, một đại lượng không cố định mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
3.1.1 Ảnh hưởng của móng máy và điều kiện lắp đặt
Máy công cụ trong quan hệ với móng máy được chia thành 3 nhóm
Móng máy có vai trò quan trọng trong việc lắp đặt máy, đặc biệt là đối với những máy có độ cứng vững cao Trong trường hợp này, móng máy không nằm trực tiếp trong đường truyền của lực cắt tĩnh Tuy nhiên, điều kiện kẹp chặt máy vào móng lại ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng động lực học của máy trong quá trình cắt.
Nhóm b: Dùng cho nhóm máy gia công tinh, giá máy không trực tiếp đặt lên móng mà đặt trên những đệm đàn hồi
Nhóm c: Dùng cho các máy cỡ lớn
Đường truyền lực của nhóm b và nhóm a cắt qua cả giá máy và móng máy, do đó, độ cứng vững của móng máy cùng với tính chất mối ghép giữa máy và móng máy ảnh hưởng đáng kể đến rung động của máy Hình dưới đây minh họa mối quan hệ giữa độ mềm dẻo và tần số dao động của máy tiện khi kích thích, đồng thời đo chuyển vị của máy theo hướng X trong hai trường hợp lắp đặt móng máy khác nhau.
Hình 3.2: Quan h ệ giữa độ mềm dẻo của máy với tần số trong trường hợp móng máy được lắp đặt khác nhau
Độ mềm dẻo tĩnh của máy không phụ thuộc vào điều kiện lắp đặt và đạt giá trị 0,04 μm/N khi tần số kích thích là 0 Tuy nhiên, phản ứng động lực học lại bị ảnh hưởng bởi tình trạng lắp đặt trong toàn bộ dải tần số Cụ thể, độ mềm dẻo lớn nhất giảm từ 0,15 μm/N ở máy được bắt chặt vào móng xuống 0,1 μm/N ở máy sử dụng chi tiết lót mềm Việc sử dụng chi tiết lót mềm không chỉ giảm chấn mà còn cải thiện đáng kể phản ứng động lực học của máy.
3.1.2 Ảnh hưởng của vị trí của các chi tiết cấu thành máy Đối với các chi tiết động (bàn máy, bàn dao, trục chính …) do sựthay đổi vị trí chức năng công tác mà độ cứng vững tĩnh và độ cứng vững động lực học của máy tại vị trí cắt cũng thay đổi Ảnh hưởng lớn nhất đến độ mềm dẻo là các chi tiết di trượt như trục chính máy doa, máy khoan Hình dưới giới thiệu về độ mềm dẻo động lực học của các máy doa khác nhau phụ thuộc vào tỷ số giữa độ dài L và đường kính d của trục chính Ngoài ra còn giới thiệu về độ mềm dẻo động lực học của máy phay đứng khi chịu tải theo phương X Ở loại máy này thì độ mềm dẻo của máy ảnh hưởng tới rung động phụ thuộc rất lớn vào vị trí của bàn máy mà điển hình là sựthay đổi của độ mềm dẻo khi dịch chuyển bàn máy theo phương nằm ngang
Hình 3.3: Độ mềm dẻo động lực học của máy doa khi chịu tải theo phương Y
Hình 3.4: Độ mềm dẻo động lực học của máy phay đứng khi chịu tải theo phương X 3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc của máy
Tính chất của mối ghép căng và ghép trượt trong máy phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, dẫn đến phản ứng động lực học của máy cũng bị ảnh hưởng Độ mềm dẻo động lực học của máy thay đổi theo nhiệt độ làm việc, tức là theo thời gian hoạt động Khi nhiệt độ tăng cao, độ mềm dẻo cũng gia tăng, làm cho tự dao động trở nên dễ phát triển hơn.
Nhiệt độ máy, được thể hiện qua thời gian làm việc, có ảnh hưởng đáng kể đến độ mềm dẻo của máy phay giường Hình dưới đây minh họa rõ ràng mối quan hệ này.
Hình 3.5: Ảnh hưởng nhiệt độ của máy đến ohản ứng động lực học của máy
Ảnh hưở ng c ủ a v ị trí tương đố i gi ữ a dao và phôi
Vị trí tương đối giữa dao và phôi ảnh hưởng đến hướng lực cắt, từ đó tác động đến mức độ rung động trong quá trình gia công Độ mềm dẻo động lực học của hệ thống gia công phụ thuộc vào tần số của các dao động riêng, được kích thích ở tần số thích hợp Đối với máy có thân dạng dầm ngang hoặc trụ đứng, các dao động riêng liên quan đến một hướng cụ thể, được xác định bởi cấu trúc hình học và phân bố khối lượng của hệ thống Độ cứng vững của máy khác nhau theo các hướng trong hệ tọa độ, với một số hướng có độ cứng vững cao và một số thấp, dẫn đến điều kiện phát triển tự dao động cũng khác nhau Do đó, việc cải thiện ảnh hưởng của rung động và hạn chế tình trạng rung động của máy có thể thực hiện được nếu lực cắt được đặt vuông góc với hướng dao động.
Hình 3.6: Ảnh hưởng của hướng lực cắt đến rung động của máy
Hướng lực cắt ảnh hưởng lớn đến ổn định của hệ thống công nghệ trong gia công tiện Khi lực cắt vuông góc với hướng dao động riêng, máy sẽ ổn định hơn Ngược lại, nếu lực cắt song song với dao động riêng, sẽ xảy ra rung động Do đó, việc lựa chọn vị trí giữa dao và phôi là rất quan trọng, giúp quá trình cắt cân bằng hơn, nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt.
Lực cắt có ảnh hưởng đáng kể đến chiều sâu cắt tới hạn khi phay, như thể hiện trong hình 3.7 Cấu hình phôi và dao trong quá trình cắt trên máy phay rất đa dạng, do đó việc định hướng lực cắt trở nên quan trọng.
Sự thay đổi vị trí và chuyển động tương đối giữa dao và phôi dẫn đến sự biến đổi của góc vào cắt, từ đó ảnh hưởng đến hướng của lực cắt.
Trong trường hợp cụ thể được mô tả, phôi có chiều rộng bằng một nửa đường kính của dao phay, và góc vào cắt thay đổi từ 0 đến 360 độ Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa chiều sâu cắt tới hạn Tk và góc vào cắt cho thấy rằng chiều sâu cắt tới hạn Tk phụ thuộc mạnh mẽ vào góc vào cắt của dao phay trong từng trường hợp gia công cụ thể.
Ảnh hưở ng c ủa độ m ề m d ẻ o c ủ a phôi
Độ mềm dẻo của phôi ảnh hưởng đáng kể đến rung động trong quá trình cắt, vì biến dạng của phôi gây ra chuyển vị tương đối giữa dao và phôi, dẫn đến rung động Thí nghiệm cho thấy rằng khi cắt ba phôi có cùng đường kính nhưng chiều dài khác nhau với bước tiến dao S = 0,1 mm/vòng, phôi càng mảnh và yếu thì xu thế rung động càng lớn, đồng thời chiều rộng cắt tới hạn đạt được càng bé Nếu lực kẹp không đủ mạnh để cố định phôi trước tác động của lực cắt, rung động sẽ gia tăng nhanh chóng, làm cho quá trình cắt dễ gây rung động hơn.
Hình 3.8: Ảnh hưởng của độ mềm dẻo của phôi đến chiều sâu cắt tới hạn khi tiện
Ảnh hưở ng c ủa điề u ki ệ n c ắt đến rung độ ng c ủ a quá trình c ắ t
Điều kiện cắt ảnh hưởng đến sự xuất hiện rung động trong hệ dao động máy, dụng cụ và chi tiết gia công Sự ảnh hưởng này phụ thuộc vào các yếu tố như độ cứng vững, hệ số tắt dần, tần số riêng, dạng dao động và hướng dao động của các phần tử trong hệ thống.
3.4.1 Ảnh hưởng của chiều rộng lớp cắt b
Chiều rộng lớp cắt b và chiều sâu lớp cắt của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vùng giới hạn ổn định trong điều kiện cắt Hiệu ứng không ổn định cơ sở sẽ giảm dần cho đến khi đạt được giới hạn ổn định, điều này rất quan trọng để duy trì sự ổn định trong quá trình cắt và giảm thiểu 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 là độ lớn của lượng chạy dao S, khác với chiều rộng phôi b, và có xu hướng ổn định Khi quá trình cắt diễn ra tại giới hạn ổn định, biên độ dao động sẽ giảm khi tăng chiều dày phôi Tuy nhiên, điều này không áp dụng cho toàn bộ vùng khảo sát Hình dưới mô tả hiệu ứng ổn định tăng lên theo giá trị lượng chạy dao, kết thúc khi S đạt 0,6 mm/vg, với thông số tiện t = 2mm và v = 41 m/ph.
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
Khi sử dụng dao cắt bằng thép gió, hiệu ứng của vận tốc cắt đến hệ thống là âm tính, trong khi dao hợp kim mang lại hiệu ứng dương tính Biên độ cực đại đạt được ở mức 0,2 mm/vg.
Hình 3.11: Ảnh hưởng của v đến A 3.4.4 Ảnh hưởng của thông số hình học phần cắt
Góc cắt có ảnh hưởng lớn đến ổn định khi gia công với lực cắt Ví dụ, khi tiện thép với chiều dài L = 700 mm, tốc độ v = 41 m/ph và độ sâu cắt S = 0,1 mm/vg, so với khi L = 600 mm, v = 20 m/ph và S = 0,15 mm/vg, cho thấy rằng việc giảm góc cắt có thể cải thiện độ ổn định trong quá trình gia công.
Hình 3.12: Ảnh hưởng của góc cắt đến A
Góc nghiêng ảnh hưởng đến độ ổn định của quá trình cắt thông qua việc điều chỉnh chiều dày phôi và hướng lực cắt Cụ thể, khi góc nghiêng tăng, độ ổn định của quá trình cắt cũng tăng theo Mức độ ảnh hưởng của góc nghiêng đến độ ổn định này còn phụ thuộc vào các điều kiện làm việc cụ thể Hình ảnh dưới đây minh họa sự tác động của góc nghiêng đến biên độ dao động (A) trong quá trình tiện với đường kính d = 110 mm, tốc độ v = 57 m/ph, và độ sâu cắt S = 0,2 mm/vg.
Hình 3.13: Ảnh hưởng của góc nghiêng đến A
Bán kính mũi dao r ảnh hưởng trực tiếp đến phương lực cắt Khi thực hiện gia công thô với chiều rộng cắt lớn, tác động của r là không đáng kể vì lực cắt vuông góc với lưỡi cắt chính Ngược lại, trong gia công tinh, khi chiều rộng cắt nhỏ và chiều sâu cắt nhỏ hơn bán kính r, phương lực cắt sẽ nghiêng so với 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 cả hai mặt đều giảm, dẫn đến giảm rung động và hạn chế mất ổn định Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa chiều sâu cắt tới hạn và góc trước tương tự như đồ thị giữa chiều sâu cắt tới hạn và góc sau.
3.4.5.2 Ảnh hưởng của góc điều chỉnh
Góc điều chỉnh có tác động trực tiếp đến phương của lực cắt, từ đó ảnh hưởng lớn đến mức độ rung động Sự ảnh hưởng này được thể hiện rõ qua mối liên hệ giữa góc điều chỉnh và chiều rộng cắt tới hạn.
Hình 3.15: S ự phụ thuộc của chiều rộng cắt tới hạn vào góc điều chỉnh
Khi góc điều chỉnh là 0 độ (tiện cắt đứt), lực F sẽ hướng theo dao động chính và vuông góc với bề mặt gia công Trong trường hợp này, chuyển vị do dao động uốn tác dụng tương tự như khi chiều dày cắt bị biến động.
Khi góc điều chỉnh bằng 90 0 (tiện xén mặt đầu) thì thành phần lực chạy dao
Lực F theo trục Z có độ cứng vững cao nhất, do đó không kích thích dao động uốn riêng của trục chính và phôi Thành phần lực cắt tiếp tuyến vẫn theo hướng dao động riêng, nhưng dao động uốn riêng này không làm thay đổi chiều dày cắt vì mặt cắt nằm trong hướng dao động Mối quan hệ giữa chiều rộng cắt tới hạn và các giá trị trung gian của góc điều chỉnh được thể hiện qua các điểm liên tục trên đồ thị.
3.4.5.3 Ảnh hưởng của góc nghiêng của lưỡi cắt chính
Góc nghiêng của lưỡi cắt chính đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định quá trình cắt, ảnh hưởng đến độ dày cắt và hướng lực cắt Khi góc nghiêng tăng, độ ổn định của quá trình cắt cũng được cải thiện Hình ảnh dưới đây minh họa tác động của góc nghiêng trong quá trình tiện thép với tốc độ 57 m/ph và bước tiến 0,2 mm/vòng.
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: S ự phụ thuộc của chiều sâu cắt tới hạn vào thời gian cắt của dao
Trên đồ thị thực nghiệm từ quá trình phay, chiều sâu cắt tới hạn thay đổi theo độ dài đường chuyển dao trong thời gian làm việc liên tục của dụng cụ cắt Ban đầu, khi dao chưa mòn, chiều sâu cắt tới hạn đạt 1 mm, sau đó tăng nhanh trong thời gian ngắn và ổn định ở mức 2,5 – 3 mm trong thời gian dài Khi dao bắt đầu mòn, sau khoảng 12m đường chạy, chiều sâu cắt tới hạn lại tiếp tục tăng nhanh.
3.4.5.5 Ảnh hưỡng của bán kính mũi dao
Ảnh hưở ng c ủ a v ậ t li ệ u
Khi gia công vật liệu dẻo, hiện tượng lẹo dao dễ xảy ra do sự biến thiên về lực cắt, dẫn đến rung động Ảnh hưởng của vật liệu đến rung động chủ yếu xuất phát từ tính không đồng đều của chúng trong quá trình gia công.
Sự không đồng đều của độ cứng trong quá trình gia công gây ra biến động lực cắt, dẫn đến rung động và mất ổn định Độ cứng cắt tỷ lệ nghịch với chiều sâu cắt tới hạn; vật liệu có độ cứng cao sẽ làm tăng rung động và giảm chiều sâu cắt tới hạn Ngoài ra, tính dẻo của vật liệu cũng ảnh hưởng đến rung động: vật liệu càng dẻo, càng dai thì xu hướng xuất hiện rung động càng lớn so với vật liệu giòn.
RUNG ĐỘ NG TRÊN MÁY CÔNG C Ụ ĐIỀ U KHI Ể N S Ố
Đặc tính của rung động trong gia công bằng máy công cụ điều khiển số
Rung động của máy phay CNC là hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình gia công, gây ra bởi lực cắt tác động lên hệ thống máy phay, đồ gá, dao phay và chi tiết Hiện tượng này có thể làm giảm chất lượng bề mặt, gây sai số kích thước, làm lệch các bộ phận máy và dẫn đến gãy dụng cụ cắt Trong ba đặc trưng của rung động, biên độ là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất, phụ thuộc vào chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S) và lượng chạy dao (F) Trước khi điều khiển máy phay CNC dựa trên rung động, cần xem xét khả năng thay đổi các yếu tố trong bốn thông số công nghệ này Nghiên cứu đã chọn máy phay CNC 5 trục V30 với bộ điều khiển 18MC của Fanuc để xác định các khả năng điều chỉnh các thông số công nghệ (F, S, B, t).
Trong gia công trên máy phay CNC, người vận hành có khả năng điều chỉnh trực tiếp vận tốc cắt bằng hai nút ấn và thay đổi lượng chạy dao thông qua một công tắc xoay 16 tiếp điểm trên bộ điều khiển CNC.
Khi điều khiển máy phay CNC theo phương pháp CNC (computer numerical control), toàn bộ chương trình gia công do phần mềm CAM tạo ra sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ của bộ điều khiển CNC Điều này có nghĩa là không thể thay đổi các thông số công nghệ trong chương trình gia công Tuy nhiên, người dùng chỉ có thể điều chỉnh hai thông số là vận tốc cắt và lượng chạy dao thông qua các nút ấn và công tắc trên bộ điều khiển CNC.
Khi điều khiển máy phay CNC bằng phương pháp DNC (Direct Numerical Control), các lệnh gia công (G-code) được gửi từ máy tính tới bộ điều khiển CNC Điều này có nghĩa là chỉ có thể thay đổi các thông số công nghệ như F, S, B, t trong câu lệnh G-code tiếp theo, trong khi câu lệnh hiện tại không thể sửa đổi Do đó, có nguy cơ dụng cụ cắt có thể bị gãy trước khi các thông số công nghệ được điều chỉnh trong 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 với số lượng bước chia nhỏ được chọn nhằm kiểm soát trạng thái rung động của máy Phương án này cho phép điều chỉnh bốn thông số công nghệ (F, S, B, t), nhưng có thể gây ra sai số lớn trong quá trình gia công và chỉ áp dụng được khi điều khiển máy theo phương pháp DNC.
Phương án 2 đề xuất can thiệp trực tiếp vào phần cứng của bộ điều khiển CNC để điều chỉnh hai thông số công nghệ quan trọng: vận tốc cắt và lượng chạy dao Điều này được thực hiện thông qua việc thay thế hai nút ấn và công tắc xoay 16 tiếp điểm bằng các tín hiệu điều khiển từ bên ngoài Ưu điểm của phương án này là không gây ra sai số trong quá trình gia công, đồng thời có thể áp dụng hiệu quả trong cả hai phương pháp điều khiển máy CNC và DNC.
- Để tránh sai số, tác giả lựa chọn phương án 2.
TH Ự C NGHI ỆM XÁC ĐỊ NH S Ự RUNG ĐỘ NG VÀ NH Ữ NG TÁC ĐỘ NG C ỦA RUNG ĐỘNG ĐẾ N CH ẤT LƯỢ NG CHI TI Ế T GIA CÔNG TRÊN MÁY CNC 5 TR Ụ C
Th ự c nghi ệm đo rung độ ng trên máy CNC 5 tr ụ c
B ảng 5.2: Thông số đầu vào của thí nghiệm
Thí nghiệm ap=2mm Fz=0.1
TT Vc (m/p) t (mm) s(mm/phút) n (v/p)
Nh ững tác độ ng c ủa rung động đế n ch ất lượ ng b ề m ặ t chi ti ế t gia công trên máy phay CNC 5 tr ụ c
- Qua kết quả thí nghiệm và lý thuyết chuyên ngành tác giả nhận thấy:
+ Dưới tác dụng của lực cắt, cơ hệ (hệ thống công nghệ) gồm máy phay – đồ gá – dao phay – chi tiết bị rung động cưỡng bức
Rung động có thể gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng, bao gồm giảm chất lượng bề mặt, sai số kích thước của chi tiết gia công, làm lệch các bộ phận máy, từ đó giảm độ bền của máy và gây gãy dụng cụ cắt.
Trong ba đặc trưng của rung động (tần số, biên độ và pha), biên độ có ảnh hưởng trực tiếp và lớn nhất Biên độ này phụ thuộc vào bốn yếu tố chính: chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S) và lượng chạy dao (F) Đây là những thông số công nghệ đặc trưng cho chế độ gia công trên máy phay CNC 5 trục.
Để cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết máy và giảm thiểu tác động của rung động, người thiết kế quy trình công nghệ cần lựa chọn chế độ cắt hợp lý Các yếu tố quan trọng bao gồm chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S) và lượng chạy dao (F).
Trong quá trình gia công trên máy phay CNC 5 trục, người vận hành có khả năng điều chỉnh trực tiếp vận tốc cắt bằng hai nút ấn và kiểm soát lượng chạy dao thông qua một công tắc xoay 16 tiếp điểm trên bộ điều khiển CNC.
- Dựa trên việc tiến hành đo và thu thập dữ liệu rung động của máy trong nhiều chếđộ gia công khác nhau
- Tổng hợp các kết quảđo này, tác giả nhận thấy rằng mỗi khi dụng cụ cắt vào phôi sẽgây ra rung động có gia tốc lớn
Tín hiệu gia tốc rung động xuất hiện khi lưỡi dao phay tiếp xúc với chi tiết gia công Gia tốc rung động ban đầu nhỏ, đạt giá trị lớn nhất khi lưỡi dao ăn sâu vào chi tiết và giảm dần khi lưỡi dao rời khỏi Tần số tín hiệu này tăng lên khi tốc độ quay của trục chính cao hơn Đặc biệt, trong quá trình phay thuận, gia tốc rung động cao nhất xảy ra khi lưỡi dao bắt đầu gia công và giảm dần khi lưỡi dao thoát khỏi chi tiết.
K Ế T LU ẬN VÀ HƯỚ NG PHÁT TRI Ể N C ỦA ĐỀ TÀI
Kết luận
Nghiên cứu ảnh hưởng của rung động trên máy phay CNC 5 trục là một hoạt động quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm gia công
Nghiên cứu ảnh hưởng của rung động trong quá trình gia công là rất quan trọng, giúp chúng ta nhận diện và kiểm soát rung động hiệu quả Từ đó, chúng ta có thể áp dụng các biện pháp cần thiết để giảm thiểu tác động của rung động đến chất lượng sản phẩm.
Việt Nam đang nỗ lực phát triển ngành cơ khí chế tạo hiện đại với công nghệ tiên tiến Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của rung động là rất quan trọng để tạo ra các sản phẩm cơ khí chất lượng cao.
Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng thực tế trong không chỉ máy phay
CNC 5 trục mà có thể áp dụng cho máy 3 trục và máy vạn năng
Trong tương lai, việc phát triển thuật toán để điều chỉnh các thông số như chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S) và lượng chạy dao (F) sẽ mang lại nhiều lợi ích, góp phần nâng cao chất lượng chi tiết máy.
Hướ ng phát tri ể n c ủa đề tài
Nghiên cứu dựa trên thí nghiệm và phân tích rung động của máy đã phát triển một phương pháp để xác định biên độ và vận tốc rung động từ gia tốc rung động.
Tích hợp thuật toán vào chip vi điều khiển giúp phát triển các mô-đun điều khiển mở rộng cho máy phay CNC, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng gia công.
Do số lượng giá trị chạy dao F chỉ có 16, thuật toán điều khiển vẫn còn nhiều hạn chế Vì vậy, cần bổ sung vận tốc cắt để hình thành bài toán điều khiển đồng thời cả lượng chạy dao và vận tốc cắt cho máy phay CNC.
Bài toán tối ưu hóa quá trình xấp xỉ từng câu lệnh G-code được xây dựng nhằm chia nhỏ các câu lệnh này thành nhiều câu lệnh G-code khác, với mục tiêu tối thiểu hóa sai số Phương pháp này cho phép điều chỉnh đồng thời bốn thông số công nghệ (F, S, B, t) khi điều khiển máy phay CNC thông qua phương pháp DNC.
