(NB) Giáo trình Lý thuyết gia công CNC với mục tiêu giúp người học có thể trình bày được đặc điểm, phạm vi ứng dụng của máy CNC. Cấu trúc của hệ thống CNC, các loại hình chuyển động khi cắt của máy CNC, cấu trúc và ý nghĩa của các mã lệnh G, mã lệnh M, kết cấu một chương trình CNC cơ bản. Soạn thảo một chương trình CNC; Trình bày được các loại điều khiển trên máy CNC; Phân biệt và lựa chọn được các loại dụng cụ của máy tiện CNC và phay CNC; Mời các bạn cùng tham khảo phần 1.
Tổng quan về máy CNC
Soạn thảo chương trình CNC
1.2 Soạn thảo chương trình máy tiện
3.3 Chương trình trung tâm gia công
* Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính bằng giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành được tính bằng giờ thực hành
Chương 1: Tổng quan về máy CNC
+ Trình bày được lịch sử phát triển, đặc điểm và khả năng úng dụng của máy CNC + Trình bày được cấu hình của hệ thống máy CNC
+ Phân biệt được các kiểu điều khiển cắt của máy CNC
+ Trình bày được cấu trúc của một chương trình CNC
+ Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập
NC, viết tắt của cụm từ "numerical control" (điều khiển bằng máy tính), là một loại máy móc được điều khiển bởi máy tính, được gọi là máy NC Sự phát triển của máy tính mini đã dẫn đến việc sản xuất máy NC được trang bị máy tính, nâng cao khả năng tự động hóa trong sản xuất.
NC Vi tính, hay còn gọi là NC Máy tính, là thuật ngữ chỉ các máy tính hóa trong công nghiệp Hiện nay, các máy này thường được gọi chung là CNC, và hầu hết các máy NC được sản xuất trong giai đoạn đầu đều có dạng CNC.
Máy CNC hoạt động khác biệt so với máy dụng cụ cơ bản, khi mà thay vì được vận hành bằng tay, nó sử dụng xung động cơ điều khiển để thực hiện các thao tác Vít me bi kết nối với máy quay tròn, giúp di chuyển bàn máy hoặc đầu trục chính đến vị trí và tốc độ cần thiết, đảm bảo các vật liệu được gia công một cách chính xác Đặc biệt, khi hai hoặc ba trục được điều khiển đồng thời, máy CNC có khả năng gia công các cấu hình phức tạp một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Hình.1.1: Luồng thông tin của máy CNC
Khi bộ phận vận hành phân tích bản vẽ, các chương trình kích thước và điều kiện gia công được thiết lập theo giao thức và đưa vào mạch xử lý thông tin, sau đó phần còn lại sẽ được hoàn thành tự động bởi máy CNC.
1.1.2 Lịch sử của máy CNC
Cuộc Cải cách Công nghiệp vào cuối thế kỷ 18 đã dẫn đến sự phát triển của dụng cụ bằng máy đầu tiên tại Anh Sau Thế chiến II, sự chú trọng chuyển sang các máy chính xác với ít sự can thiệp của con người John.C Parsons đã đề xuất khái niệm NC (Điều khiển số) cho các công cụ bằng máy Vào năm 1948, Lực lượng không quân Hoa Kỳ đã ký hợp đồng với Công ty Parsons để nghiên cứu tính khả thi của NC, và năm 1949, một nhóm nghiên cứu từ MIT tham gia vào dự án Sau ba năm nghiên cứu, các máy phay đã được phát triển.
Máy công cụ điều khiển số (NC) lần đầu tiên được phát triển vào năm 1952, mở ra một kỷ nguyên mới trong ngành công nghiệp chế tạo Sau đó, máy khoan NC và máy tiện cũng được ra đời, đánh dấu sự tiến bộ trong công nghệ sản xuất Hình 1.2 minh họa rõ nét sự phát triển của các máy NC qua các giai đoạn khác nhau.
Hình.1.2: Sự phát trển của máy NC
Sự phát triển của máy NC có thể chia ra thành 5 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Một NC đơn điều khiển một máy
Giai đoạn 2: Một NC điều khiển một máy có kết hợp nhiều chức năng (CNC)
Giai đoạn 3: Một máy tính điều khiển nhiều máy CNC (DNC)
Giai đoạn 4 là khi một trung tâm máy tính đảm nhận vai trò điều khiển toàn bộ hệ thống sản xuất, bao gồm các máy CNC, robot, máy băng tải và hệ thống lưu trữ tự động (FMS).
Giai đoạn 5: Công nghệ hệ thống sản xuất linh hoạt và hệ thống quản lý cũng được tích hợp và điều khiển (CIMS)
1.1.3 Đặc điểm và ứng dụng của máy CNC
1.1.3.1 Đặc điểm của máy CNC Đối với các máy dụng cụ, bộ phận vận hành đọc bản vẽ và xác định quy trình, điều kiện cắt và dụng cụ chung cho máy Tuy nhiên, với máy CNC, bộ phận vận hành đọc bản vẽ và chương trình thực hiện, địa điểm, điều kiện cắt và dụng cụ để thực hiện công việc Gần đây, các khách hàng có các nhu cầu đa dạng và công nghệ phát triển ngày một nhanh chóng để rút ngắn vòng đời sản phẩm, các sản phẩm đa năng với cấu hình phức tạp nên được sản xuất nhiều hơn Cùng lúc, việc phát triển nhanh chóng về mặt kinh tế và chi phí lao động gia tăng dẫn tới thiếu lực lượng lao động có tay nghề; máy CNC trở nên có ích trong tình huống này
So với máy dụng cụ nói chung, máy CNC có những lợi ích sau:
- Dễ dàng sản xuất phụ tùng số lượng nhỏ hoặc vừa và dễ thay đổi kích cỡ
- Độ chính xác được cải thiện và kiểm soát chất lượng thiết bị sản xuất đồng nhất
- Dễ dàng sản xuất phụ tùng máy có cấu hình phức tạp và có quy trình đa dạng
- Không cần thiết phải tạo ra dụng cụ đặc biệt, tiết kiệm chi phí bảo dưỡng
- Một người có thể điều khiển vài máy, tiết kiệm chi phí sản xuất và nhân công
- Giảm mệt mỏi khi điều hành máy và cải thiện điều kiện làm việc để nâng cao năng suất
1.1.3.2 Ứng dụng của máy CNC
Máy CNC hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và gia công cơ khí, ban đầu nhằm sản xuất sản phẩm phức tạp với độ chính xác cao Ngày nay, chúng còn được sử dụng để nâng cao năng suất lao động Gia công cơ khí thường diễn ra tại các trung tâm gia công, bao gồm các công việc như tiện, phay, cắt dây tia lửa điện, khoan, mài và doa Mặc dù một số nhiệm vụ rất phù hợp với máy CNC, nhưng cũng có những nhiệm vụ không thích hợp cho loại máy này.
- Khi bạn cần sản xuất nhiều phần linh kiện với số lượng nhỏ hoặc vừa Tỉ lệ vận hành cao cũng là một yêu cầu
- Phụ tùng có cấu hình phức tạp và cần các thực hiện các công việc quan trọng
- Thiết kế được thay đổi nhỏ nhiều lần
- Do chi phí cao, vật liệu sản xuất chỉ cho phép sai sót nhỏ hoặc không được sai sót
- Các linh kiện cần được kiểm tra
1.1.4 Sự phát triển của máy CNC trong tương lai Để chi phí hiệu quả hơn trong thị trường cạnh tranh, công nghệ máy CNC được phát triển theo các xu hướng sau:
- Thông minh nhanh nhạy: Giảm thời gian gia công nhưng cho chất lượng và năng suất cao hơn
- Đa chức năng và phức tạp: Quy trình sản xuất được sắp xếp hợp lý và các bộ phận riêng lẻ có chức năng đa dạng
- Tính mở: NC mở để đáp ứng các nhu cầu đa dạng
- Mạng lưới hoạt động: Máy phản ứng theo mạng để cung cấp một phần và bảo hành
- Sự thân thiện với môi trường: Dầu dùng để cắt độc hại được cải thiện để bảo vệ môi trường
Sự hỗ trợ trong trường hợp này phụ thuộc vào sự phát triển của các hệ trục tốc độ cao, hệ cung cấp tốc độ cao, và bộ phận điều khiển số chính xác Các máy tốc độ cao, máy đa trục và máy đa năng cũng đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu này.
Máy gia công tốc độ cao giúp tăng tốc độ cắt, cải thiện tỷ lệ loại bỏ nguyên liệu (MRR) và giảm chi phí cũng như thời gian sản xuất Khi hoạt động ở tốc độ 20.000-30.000 vòng/phút, máy thực hiện nhanh chóng và chính xác các quy trình như mài nhẵn, bán hoàn thiện và hoàn thiện, vượt trội so với các trung tâm gia công hiện nay Hình 1.3 minh họa cho một máy tốc độ cao.
Máy gia công tốc độ cao có những đặc điểm sau:
- Cắt tối đa trên một giờ
- Máy gia công tốc độ cao cho bề mặt chất lượng cao hơn
- Làm tăng sự ổn định động trong trục chính
- Trục cung cấp nhanh cho hiệu suât tối đa
- Lỗi gia công tối thiểu khi vật liệu mỏng
- Dòng đời máy dài hơn và độ chính xác bền vững hơn
- Tăng sự ổn định khi gia công đối với vật liệu nhạy với nhiệt
- Gia công dễ dàng hơn đối với các vật liệu khó hơn do sinh nhiệt thấp
Hình.1.3: Máy tốc độ cao
Nhờ vào các tính chất vượt trội và thời gian tiêu hao tối ưu, quy trình gia công đã giảm chi phí, nâng cao năng suất và cắt giảm chi phí vận hành nhàn rỗi Để đạt được gia công tốc độ cao, cần phát triển vật liệu mới có khả năng chịu đựng tốc độ cao trong thời gian dài, cùng với phần mềm điều khiển máy phù hợp và các máy thông minh hoạt động trong môi trường tối ưu.
Hình.1.4: Máy 5-trục Hình.1.5: Máy gia công 5 trục
Máy 5 trục, như hình 1.4, là loại máy đa trục phổ biến nhất với 3 trục điều khiển (X, Y, Z) và 2 trục bổ sung (trục xoay và trục đứng) Thiết kế này cho phép gia công các cấu hình phức tạp mà máy 3 trục khó thực hiện, đồng thời giảm thiểu việc lắp đặt vật liệu và quy trình, từ đó nâng cao năng suất và cải thiện chất lượng bề mặt gia công Mặc dù hiện tại, máy 5 trục chủ yếu thuộc dòng máy dụng cụ thế hệ mới, với khả năng ngăn chặn xung đột và va chạm, trong tương lai, chúng sẽ được phát triển để nâng cao hiệu quả gia công và chất lượng bề mặt hơn nữa.
Hình 1.6 minh họa một ví dụ của máy gia công 5 trục
Máy tổ hợp cho phép tự động lựa chọn và thay thế dụng cụ cần thiết, giúp gia công toàn bộ các phần một cách hiệu quả So với máy đơn, máy tổ hợp có khả năng thay đổi thiết lập cho các quá trình như xoay, tiện, tạo góc, bào nhẵn và phay định hình, mang lại sự linh hoạt trong các cấu hình phức tạp.
Hình 1.7 minh họa một máy tổ hợp
Máy tiện CNC
Tổng quan
1.2 Soạn thảo chương trình máy tiện
3.3 Chương trình trung tâm gia công
* Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính bằng giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành được tính bằng giờ thực hành
Chương 1: Tổng quan về máy CNC
+ Trình bày được lịch sử phát triển, đặc điểm và khả năng úng dụng của máy CNC + Trình bày được cấu hình của hệ thống máy CNC
+ Phân biệt được các kiểu điều khiển cắt của máy CNC
+ Trình bày được cấu trúc của một chương trình CNC
+ Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập
NC, viết tắt của cụm từ "numerical control" (điều khiển bằng máy tính), là một loại máy móc được điều khiển thông qua máy tính Sự phát triển của máy tính mini đã dẫn đến việc sản xuất các máy NC tích hợp với máy tính, mang lại hiệu quả cao trong quá trình điều khiển và tự động hóa.
NC Vi tính, hay còn gọi là NC Máy tính (Computerized NC), hiện nay thường được biết đến với tên gọi CNC Trong giai đoạn đầu, hầu hết các máy NC đều được sản xuất dưới dạng máy CNC, cho thấy sự chuyển mình mạnh mẽ trong công nghệ chế tạo.
Máy CNC là một thiết bị tiên tiến, được điều khiển bởi xung động cơ, thay vì vận hành bằng tay như máy dụng cụ cơ bản Vít me bi kết nối với máy giúp quay tròn, di chuyển bàn máy hoặc đầu trục chính đến vị trí và tốc độ mong muốn, đảm bảo sự chính xác trong gia công các vật liệu Khi hai hoặc ba trục hoạt động đồng thời, máy CNC có khả năng gia công các cấu hình phức tạp một cách nhanh chóng và chính xác.
Hình.1.1: Luồng thông tin của máy CNC
Khi bộ phận vận hành phân tích bản vẽ, các chương trình kích thước và điều kiện gia công được thiết lập theo giao thức và đưa vào mạch xử lý thông tin, sau đó máy CNC hoàn thành phần còn lại một cách tự động.
1.1.2 Lịch sử của máy CNC
Cuộc Cải cách Công nghiệp vào cuối thế kỷ 18 đã dẫn đến sự phát triển của dụng cụ bằng máy đầu tiên tại Anh Sau Thế chiến II, sự chú trọng chuyển sang các máy chính xác với ít sự can thiệp của con người Trong bối cảnh này, John.C Parsons đã đề xuất khái niệm NC (Điều khiển số) và vào năm 1948, Lực lượng không quân Hoa Kỳ đã ký hợp đồng với Công ty Parsons để nghiên cứu tính khả thi của NC Năm 1949, nhóm nghiên cứu từ MIT cũng tham gia vào dự án này, và sau ba năm nghiên cứu, các máy phay đã được phát triển.
Máy công cụ điều khiển số (NC) được phát triển lần đầu tiên vào năm 1952, với sự ra đời đầu tiên của máy khoan NC, tiếp theo là máy tiện Sự phát triển của máy NC đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo.
Hình.1.2: Sự phát trển của máy NC
Sự phát triển của máy NC có thể chia ra thành 5 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Một NC đơn điều khiển một máy
Giai đoạn 2: Một NC điều khiển một máy có kết hợp nhiều chức năng (CNC)
Giai đoạn 3: Một máy tính điều khiển nhiều máy CNC (DNC)
Giai đoạn 4 là giai đoạn mà một trung tâm máy tính đảm nhận vai trò điều khiển toàn bộ hệ thống sản xuất, bao gồm các máy CNC, robot, máy băng tải và hệ thống lưu trữ tự động (FMS).
Giai đoạn 5: Công nghệ hệ thống sản xuất linh hoạt và hệ thống quản lý cũng được tích hợp và điều khiển (CIMS)
1.1.3 Đặc điểm và ứng dụng của máy CNC
1.1.3.1 Đặc điểm của máy CNC Đối với các máy dụng cụ, bộ phận vận hành đọc bản vẽ và xác định quy trình, điều kiện cắt và dụng cụ chung cho máy Tuy nhiên, với máy CNC, bộ phận vận hành đọc bản vẽ và chương trình thực hiện, địa điểm, điều kiện cắt và dụng cụ để thực hiện công việc Gần đây, các khách hàng có các nhu cầu đa dạng và công nghệ phát triển ngày một nhanh chóng để rút ngắn vòng đời sản phẩm, các sản phẩm đa năng với cấu hình phức tạp nên được sản xuất nhiều hơn Cùng lúc, việc phát triển nhanh chóng về mặt kinh tế và chi phí lao động gia tăng dẫn tới thiếu lực lượng lao động có tay nghề; máy CNC trở nên có ích trong tình huống này
So với máy dụng cụ nói chung, máy CNC có những lợi ích sau:
- Dễ dàng sản xuất phụ tùng số lượng nhỏ hoặc vừa và dễ thay đổi kích cỡ
- Độ chính xác được cải thiện và kiểm soát chất lượng thiết bị sản xuất đồng nhất
- Dễ dàng sản xuất phụ tùng máy có cấu hình phức tạp và có quy trình đa dạng
- Không cần thiết phải tạo ra dụng cụ đặc biệt, tiết kiệm chi phí bảo dưỡng
- Một người có thể điều khiển vài máy, tiết kiệm chi phí sản xuất và nhân công
- Giảm mệt mỏi khi điều hành máy và cải thiện điều kiện làm việc để nâng cao năng suất
1.1.3.2 Ứng dụng của máy CNC
Máy CNC hiện nay được ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp và gia công cơ khí, với mục tiêu ban đầu là sản xuất sản phẩm phức tạp một cách chính xác Giờ đây, máy CNC không chỉ giúp cải thiện năng suất mà còn được sử dụng trong nhiều hoạt động gia công khác nhau như tiện, phay, cắt dây tia lửa điện, khoan, mài và doa Tuy nhiên, không phải tất cả các nhiệm vụ đều phù hợp với máy CNC; một số tình huống cụ thể vẫn yêu cầu phương pháp gia công truyền thống.
- Khi bạn cần sản xuất nhiều phần linh kiện với số lượng nhỏ hoặc vừa Tỉ lệ vận hành cao cũng là một yêu cầu
- Phụ tùng có cấu hình phức tạp và cần các thực hiện các công việc quan trọng
- Thiết kế được thay đổi nhỏ nhiều lần
- Do chi phí cao, vật liệu sản xuất chỉ cho phép sai sót nhỏ hoặc không được sai sót
- Các linh kiện cần được kiểm tra
1.1.4 Sự phát triển của máy CNC trong tương lai Để chi phí hiệu quả hơn trong thị trường cạnh tranh, công nghệ máy CNC được phát triển theo các xu hướng sau:
- Thông minh nhanh nhạy: Giảm thời gian gia công nhưng cho chất lượng và năng suất cao hơn
- Đa chức năng và phức tạp: Quy trình sản xuất được sắp xếp hợp lý và các bộ phận riêng lẻ có chức năng đa dạng
- Tính mở: NC mở để đáp ứng các nhu cầu đa dạng
- Mạng lưới hoạt động: Máy phản ứng theo mạng để cung cấp một phần và bảo hành
- Sự thân thiện với môi trường: Dầu dùng để cắt độc hại được cải thiện để bảo vệ môi trường
Trong bối cảnh hiện nay, sự hỗ trợ được thúc đẩy bởi sự phát triển của các hệ trục tốc độ cao, hệ thống cung cấp tốc độ cao, và bộ phận điều khiển số với độ chính xác và tốc độ cao Điều này dẫn đến sự ra đời của các máy tốc độ cao, máy đa trục, và máy đa năng.
Máy gia công tốc độ cao cải thiện đáng kể MRR (Tỉ lệ loại bỏ nguyên liệu) bằng cách tăng tốc độ cắt, giúp giảm chi phí và thời gian sản xuất Khi hoạt động ở tốc độ 20000-30000 rpm, máy có khả năng thực hiện nhanh chóng và chính xác các quy trình như mài nhẵn, bán hoàn thiện và hoàn thiện so với các trung tâm gia công hiện tại Hình 1.3 minh họa cho một máy tốc độ cao.
Máy gia công tốc độ cao có những đặc điểm sau:
- Cắt tối đa trên một giờ
- Máy gia công tốc độ cao cho bề mặt chất lượng cao hơn
- Làm tăng sự ổn định động trong trục chính
- Trục cung cấp nhanh cho hiệu suât tối đa
- Lỗi gia công tối thiểu khi vật liệu mỏng
- Dòng đời máy dài hơn và độ chính xác bền vững hơn
- Tăng sự ổn định khi gia công đối với vật liệu nhạy với nhiệt
- Gia công dễ dàng hơn đối với các vật liệu khó hơn do sinh nhiệt thấp
Hình.1.3: Máy tốc độ cao
Nhờ vào các tính chất ưu việt và thời gian tiêu hao tối ưu, quy trình gia công tốc độ cao giúp giảm chi phí, nâng cao năng suất và cắt giảm chi phí vận hành nhàn rỗi Để đạt được hiệu quả này, cần phát triển vật liệu mới có khả năng chịu đựng tốc độ cao trong thời gian dài, sử dụng phần mềm điều khiển máy phù hợp, và áp dụng các máy thông minh để thực hiện gia công trong môi trường tối ưu.
Hình.1.4: Máy 5-trục Hình.1.5: Máy gia công 5 trục
Máy 5 trục, như hình 1.4, là loại máy đa trục phổ biến nhất, với 3 trục điều khiển (X, Y, Z) và 2 trục bổ sung (trục xoay và trục đứng) Loại máy này cho phép gia công các cấu hình phức tạp mà máy 3 trục khó thực hiện, từ đó giảm thiểu việc lắp đặt vật liệu và quy trình, nâng cao năng suất và cải thiện chất lượng bề mặt gia công Hiện nay, máy 5 trục chủ yếu thuộc dòng máy công cụ thế hệ mới, giúp tối ưu hóa hình dáng dụng cụ và ngăn ngừa va chạm Trong tương lai, máy 5 trục sẽ tiếp tục được phát triển để nâng cao hiệu quả gia công và chất lượng bề mặt.
Hình 1.6 minh họa một ví dụ của máy gia công 5 trục
Máy tổ hợp tự động lựa chọn và thay thế dụng cụ cần thiết cho quá trình gia công So với máy đơn, máy tổ hợp cho phép thực hiện các thao tác như thiết lập, xoay, tiện, tạo góc, bào nhẵn và phay định hình với cấu hình phức tạp hơn.
Hình 1.7 minh họa một máy tổ hợp
