LỜI CẢM ƠN Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn khoa học tôi PGS.TS Nguyễn Huy Ninh và GS.TS Trần Văn Địch đã hƣỡng dẫn và hỗ trợ tận tình tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ Khí-Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi biết ơn và cảm ơn tới thầy cô bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy –Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ và giúp đỡ tôi. Tôi biết ơn tới thầy TS. Phạm Văn Bổng đã có góp ý và hỗ trợ tôi trong thời gian làm luận án. Tôi biết ơn và cảm ơn tới TS. Trần Ngọc Hiền-Bộ môn Thiết kế máy –Trƣờng ĐH Giao Thông Vận Tải, thầy cô bộ môn Công Nghệ - Khoa Cơ Khí, thầy cô Khoa Cơ Khí Trƣờng đại học Công Nghiệp Hà Nội và thầy cô trung tâm Hồng Hải Foxcon đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi hoàn thành thí nghiệm. Và đặc biệt cảm ơn sự hỗ trợ và giúp đỡ tôi về thời gian, góp ý chuyên môn và tạo điều kiện của Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ Khí trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội. Tôi cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính, thời gian và quan tâm tạo điều kiện và giúp đỡ của Ban Giám hiệu, phòng Tổ Chức Hành Chính-Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của tôi với mẹ và cha tôi, vì nếu không có họ hỗ trợ liên tục, động viên và giúp đỡ gia đình nhỏ của tôi. Tôi cũng muốn cảm ơn đại gia đình của tôi đặc biệt là bố mẹ vợ tôi đã động viên và giúp đỡ tôi và vợ con tôi những ngày các con tôi còn nhỏ để tôi có thời gian học tập. Cuối cùng nhƣng không kém phần quan trọng đó là vợ tôi, ngƣời đồng hành của tôi trên cuộc hành trình dài này, tôi muốn cảm ơn vợ tôi vì sự kiên nhẫn của mình với tôi và với các con yêu của chúng tôi. Nếu không có sự hỗ trợ liên tục của vợ tôi thì tôi khó có thể hoàn thành công việc nghiên cứu này. Và các con tôi, tôi muốn cảm ơn các con tôi rất nhiều dù các con tôi còn nhỏ và chƣa hiểu những gì khiến tôi có ý trí, niềm tin và phấn đấu. Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2015 Tác giả Hoàng Tiến Dũng 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Nguyễn Huy Ninh và GS.TS Trần Văn Địch. Kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2015 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1 TÁC GIẢ PGS.TS NGUYỄN HUY NINH HOÀNG TIẾN DŨNG HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 2 GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH 2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ 1 LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 2 MỤC LỤC ..................................................................................................... 3 MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 12 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC ................................ 15 1.1 Lịch sử và khái niệm về gia công cao tốc ........................................... 15 1.2. Dụng cụ cắt sử dụng trong gia công cao tốc....................................... 19 1.3. Sự hình thành phoi trong quá trình gia công ...................................... 20 1.4. Lực cắt và nhiệt cắt trong quá trình gia công cao tốc ......................... 23 1.5 Ảnh hƣởng độ ổn định của máy trong quá trình gia công cao tốc ....... 24 1.6 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc ............................................. 25 1.7 Đặc điểm và ứng dụng của gia công cao tốc ....................................... 26 1.7.1 Đặc điểm của gia công cao tốc ..................................................... 26 1.7.2 Các ứng dụng của gia công cao tốc .............................................. 27 1.8 Tổng quan về công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. ................. 30 1.9 Giới hạn vấn đề nghiên cứu ................................................................ 32 1.10 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................ 33 Chƣơng 2: CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG KHI PHAY CAO TỐC BẰNG DAO PHAY NGÓN LIỀN KHỐI ................................................................ 34 2.1 Lực cắt khi phay ................................................................................. 34 2.1.1 Giới thiệu..................................................................................... 34 2.1.2 Phân tích lực cắt trong quá trình phay. ......................................... 37 2.1.3 Phân tích lực trên lƣỡi cắt của dao phay ngón. ............................. 40 2.1.4 Phân tích mô hình lực cắt dao phay ngón. .................................... 42 2.2 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công ....................................................... 46 2.2.1 Đặt vấn đề.................................................................................... 46 2.2.2 Thông số độ nhám bề mặt ............................................................ 46 2.3 Rung động .......................................................................................... 51 2.3.1 Đặt vấn đề.................................................................................... 51 2.3.2 Ổn định và mất ổn định trong quá trình gia công ......................... 52 2.3.3 Các thông số cơ bản của rung động.............................................. 52 3 2.3.4. Phân tích ảnh hƣởng của rung động trong quá trình gia công ...... 55 2.4 Mòn dụng cụ cắt ................................................................................. 62 2.4.1 Khái niệm mòn dụng cụ cắt ......................................................... 62 2.4.2 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt ........................................................ 62 2.4.3 Các dạng mòn phần cắt dụng cụ cắt ............................................. 65 2.4.4. Chỉ tiêu đánh giá mòn của dụng cụ cắt........................................ 66 2.4.5 Các thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới lƣợng mòn dụng cụ cắt khi phay...................................................................................................... 67 2.5 Kết luận chƣơng 2 .............................................................................. 69 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC .................................. 70 3.1 Mô hình thực nghiệm ......................................................................... 70 3.1.1 Phân tích và thiết kế mô hình thực nghiệm .................................. 70 3.1.2 Máy, dụng cụ cắt, vật tƣ và thiết bị đo ......................................... 72 3.1.3 Thí nghiệm và phân tích xử lý kết quả ......................................... 74 3.2 Kết quả đo thực nghiệm và xử lý kết quả ............................................ 76 3.2.1 Thực nghiệm đo kết quả lực cắt và xây dựng mô hình toán học lực cắt phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. ..................................... 76 3.2.2 Thực nghiệm đo kết quả độ nhám bề mặt và xây dựng mô hình toán học nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. ....... 81 3.2.3 Thực nghiệm đo kết quả rung động và xây dựng mô hình toán học rung động phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. .......................... 83 3.2.4 Thực nghiệm đo kết quả lƣợng mòn mặt sau và xây dựng mô hình toán học lƣợng mòn mặt sau phụ thuộc vào chế độ cắt và thời gian gia công...................................................................................................... 89 3.3 Kết luận chƣơng 3 .............................................................................. 92 Chƣơng 4 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TIẾN HÓA ĐỂ TỐI ƢU HÓA VÀ TỰ TỐI ƢU QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC ............................................. 93 4.1 Đặt vấn đề .......................................................................................... 93 4.2 Tiếp cận thuật toán tiến hóa để giải bài toán tối ƣu ............................. 96 4.3 Cơ sở tối ƣu hóa quá trình cắt gọt ....................................................... 97 4 4.3.1 Khái niệm cơ bản về tối ƣu hóa quá trình gia công cắt gọt ........... 97 4.3.2 Cơ sở kinh tế kỹ thuật của tối ƣu hóa quá trình gia công cắt gọt .. 98 4.4 Bài toán tối ƣu hóa ............................................................................. 99 4.4.1 Cơ sở tối ƣu hóa thông số gia công .............................................. 99 4.4.2 Một số hàm mục tiêu trong công nghệ ....................................... 100 4.4.3 Các hàm giới hạn và miền xác định thông số công nghệ ............ 101 4.5 Tối ƣu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization (PSO)) ............... 103 4.5.1 Khái niệm tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) ......................................... 103 4.5.2 Mô tả thuật toán PSO................................................................. 106 4.5.3 Xây dựng giải thuật PSO ........................................................... 107 4.5.4 Giải bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc .................. 109 4.5.5 Kết quả và đánh giá kết quả bài toán.......................................... 112 4.6 Tự tối ƣu thông số cắt trong quá trình gia công ................................ 115 4.6.1 Đặt vấn đề.................................................................................. 115 4.6.2 Các nghiên cứu liên quan và mô hình hệ thống điều khiển tự tối ƣu ........................................................................................................... 116 4.6.3 Xác định hàm mục tiêu điều khiển tự tối ƣu trong gia công ....... 118 4.7 Kết luận chƣơng 4 ............................................................................ 125 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 128 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Ký hiệu HSM HSC CNC EDM NURBS ANOVA HRC HB HV Dtr D N n v f fz ar ap Re G() Rz Ra (t) Fx Fy Fz Fr Ft Fa h ha  Krc Ktc Kac Kre Kte Kae st ex p Ý nghĩa Đơn vị High Speed Milling (Phay cao tốc) High Speed Cutting (Cắt cao tốc) Computer Numerical Control(Điều khiển số trợ giúp máy tính) Electrical Discharge Machining (Gia công tia lửa điện) Non Uniform Rational B-Spline (Đƣờng cong B-Spline hữu tỉ không đều) Analysis Of Variance (Phân tích phƣơng sai) Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Rockwell C HRC Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Brinell HB Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Vickers HV Đƣờng kính trong vòng ổ mm Đƣờng kính dụng cụ cắt Số lƣỡi cắt của dụng cụ cắt Tốc độ vòng quay trục chính Vòng/phút Tốc độ cắt m/phút Tốc độ lƣợng chạy dao mm/phút Lƣợng chạy dao răng mm/răng Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính mm Chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục mm Giá trị hệ số phần thực trong hàm truyền tần số Hàm truyền trong miền tần số Chiều cao nhấp nhô trung bình của bề mặt chi tiết m Sai lệch profin trung bình của bề mặt chi tiết m Chuyển vị theo thời gian Thành phần lực cắt theo phƣơng X N Thành phần lực cắt theo phƣơng Y N Thành phần lực cắt theo phƣơng Z N Thành phần lực cắt theo phƣơng pháp tuyến N Thành phần lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến N Thành phần lực cắt theo phƣơng dọc trục N Độ dày của phoi mm Độ dày trung bình của phoi mm góc cắt tức thời của lƣỡi cắt so với phƣơng thẳng đứng Độ Hệ số lực cắt theo phƣơng pháp tuyến với phoi Hệ số lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến với phoi Hệ số lực cắt theo phƣơng dọc trục với phoi Hệ số lực cắt theo phƣơng pháp tuyến với chi tiết gia công Hệ số lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến với chi tiết gia công Hệ số lực cắt theo phƣơng dọc trục với chi tiết gia công Góc ăn dao Độ Góc thoát dao Độ Góc bƣớc răng của dụng cụ cắt Độ 6 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 Tc Pt ψ  z VB VBmax  PSO RO rmp HSK Hp CBN TiN TiAlN MOCVD blim  Ax, Ay PCT GA Mô men cắt tức thời Công suất cắt Góc trễ Góc xoắn của lƣỡi cắt Chiều sâu của điểm trên lƣỡi cắt theo phƣơng Z Lƣợng mòn mặt sau dụng cụ cắt Lƣợng mòn mặt sau dụng cụ cắt lớn nhất Thời gian gia công Tối ƣu hóa bầy đàn Độ đảo dụng cụ cắt (Run-Out) Ký hiệu đơn vị tốc độ vòng quay vòng/phút Ký hiệu cơ cấu bầu kẹp dao Đơn vị mã lực (Horse Power) Cấu trúc Cabit bornitrit Lớp phủ Titan Nitrit Lớp phủ Titan Nhôm Nitrit Phủ hữu cơ, phủ dùng hợp chất hữu cơ của kim loại Chiều sâu cắt tới hạn Tần số rung động riêng Biên độ rung động theo phƣơng X, Y Phay cao tốc Giải thuật di truyền 7 Nmm Kw Độ Độ mm m m Phút m mm Hz m/s2 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Bảng 1.1 Bảng 2.1 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Bảng 3.8 Bảng 3.9 Bảng 3.10 Bảng 1.11 Bảng 3.12 Bảng 3.13 Bảng 3.14 Bảng 3.15 Bảng 3.16 Bảng 3.17 Bảng 3.18 Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.3 Bảng 4.4 Bảng 4.5 Bảng 4.6 Bảng 4.7 Bảng 4.8 Bảng 4.9 Tên bảng So sánh tốc độ cắt gia công truyền thống và tốc độ cắt cao tốc Thuật toán mô phỏng lực cắt dao phay ngón Giá trị các yếu tố biến thiên trong thực nghiệm Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào Kết quả đo lực cắt 3 thành phần Fx, Fy, Fz Bảng kết quả tính toán Logarit lực cắt theo 3 phƣơng X,Y,Z Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến lực cắt theo phƣơng x (Fx) Thông số phân tích ANOVA Bảng kết quả tính toán logarit lực cắt Fxy Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến Fxy Kết quả đo độ nhám bề mặt Bảng kết quả tính Logarit Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến độ nhám bề mặt (Ra) Bảng kết quả đo và tính Logarit rung động theo phƣơng X,Y Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến rung động theo phƣơng x (Ax) Bảng kết quả tính toán logarit biên độ rung động Axy Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến Axy Bản kết quả đo lƣợng mòn (VB) Bảng kết quả tính Logarit các thông số và lƣợng mòn (VB) Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến lƣợng mòn mặt sau (VB) Kết quả tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) Kết quả tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán di truyền (GA) Đánh giá kết quả tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán PSO Chế độ cắt tối ƣu và giá trị Ra, VB tại thời gian =5 phút Chế độ cắt tối ƣu và giá trị Ra, VB tại thời gian =8 phút Chế độ cắt tối ƣu và giá trị Ra, VB tại thời gian =15 phút Giá trị Ra và VB tại thời gian =5 phút Giá trị Ra và VB tại thời gian =8 phút Giá trị Ra và VB tại thời gian =15 phút 8 Trang 16 41 75 76 76 77 78 78 80 80 81 82 82 86 87 88 88 89 90 90 113 114 114 124 124 124 125 125 126 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 1.18 Hình 1.19 Hình 1.20 Hình 1.21 Hình 1.22 Hình 1.23 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Tên hình vẽ Trang Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công 15 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon) 15 Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu 16 Trục chính Fischer 170-40-40krpm/40kW, HSK 63F 17 So sánh khả năng bóc tách vật liệu phay truyền thống và phay cao tốc 18 Kiểu mòn trên dao phay ngón 19 Kiểu mòn dao phay cầu trong phay cao tốc 19 Ảnh hƣởng của lớp phủ vật liệu dụng cụ cắt khác nhau lên tuổi bền 20 của dụng cụ cắt Phoi sinh ra từ vận tốc cắt khác nhau 21 Bề dày phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau 21 Hình thái phoi nhận đƣợc trong vùng gia công thông thƣờng và gia 21 công cao tốc Mặt cắt của việc hình thành phoi trong gia công khi cắt tốc độ cắt 22 khác nhau Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng khi thay đổi 23 vận tốc cắt So sánh nhiệt trong quá trình gia công truyền thống và gia công cao 23 tốc Ổ lăn với bi làm bằng Ceramic 25 Nhám bề mặt khi cắt bằng dao phay ngón đầu cầu 28 Khuôn đúc pha đèn trƣớc 28 Điện cực đồng để gia công EDM 29 Các kiểu khuôn điển hình để gia công cao tốc: Khuôn dập chi tiết ô 29 tô, khuôn thổi chai nhựa và ép phun tai nghe Điện cực EDM có thành mỏng 29 Chi tiết bộ phận hạ cánh của máy bay vận tải Boeing Cargo C-17 29 Bộ phận phối nhiên liệu bằng nhôm 30 Đồ thị đo độ nhám bề mặt Ra khi lƣợng chạy dao thay đổi phƣơng 31 pháp truyền thống và cao tốc Ảnh hƣởng động lực học máy và động lực học gia công trên hệ thống 34 gia công Bốn vấn đề chính ảnh hƣởng đến độ chính xác bề mặt chi tiết gia 35 công Sơ đồ về mô hình, mô phỏng, tối ƣu hóa và điều khiển quá trình gia 35 công trên cơ sở động lực học gia công Sơ đồ mô hình thông số nghiên cứu 36 Biểu đồ xƣơng cá các yếu tố ảnh hƣởng độ nhám bề mặt chi tiết gia 36 công Biểu đồ xƣơng cá các yếu tố ảnh hƣởng đến lực cắt 37 Vùng tiếp xúc dụng cụ cắt và phôi 38 Thông số hình học và hình thành phoi khi phay 38 Hình học dao phay ngón rãnh xoắn 40 Mô phỏng lực cắt dao phay ngón 4 lƣỡi góc xoắn 30o 42 Sơ đồ lực cắt tác dụng lƣỡi cắt của dao phay ngón khi gia công 44 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy 47 9 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 Hình 2.26 Hình 2.27 Hình 2.28 Hình 2.29 Hình 2.30 Hình 2.31 Hình 2.32 Hình 2.33 Hình 2.34 Hình 2.35 Hình 2.36 Hình 2.37 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Ảnh hƣởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi tiện Ảnh hƣởng của tốc độ v đến Rz Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao S đến Rz Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao và độ đảo của dụng cụ cắt (RO) đến độ nhám bề mặt Phân biệt trạng thái ổn định và mất ổn định Ví dụ về tín hiệu dao động điều hòa Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của cùng một chuyển động Tự rung trong hệ thống phay hai bậc tự do Sơ đồ phân tích Fourier trong thiết bị đo rung Ảnh hƣởng của hệ số lực cắt theo phƣơng hƣớng kính (Kr) và bề rộng cắt bởi góc ăn dao (st) và góc thoát dao (st) đến hệ số trung bình ma trận hƣớng Sơ đồ hàm truyền của rung động trong quá trình phay cao tốc Cơ chế mài mòn của dụng cụ Mài mòn chảy dính Mài mòn hạt mài(Cào xƣớc) Mòn khuếch tán Mòn Oxy hóa Mòn do nhiệt Mòn mặt sau dao phay ngón Mòn mặt trƣớc dao phay ngón Mòn mặt trƣớc và sau dao phay ngón Mòn tù lƣỡi cắt của dao phay ngón Lƣợng mòn mặt sau liên quan đến thời gian và tốc độ cắt khác nhau Ảnh hƣởng tốc độ cắt đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard(CMC 03.22), 380HB. Ảnh hƣởng lƣợng chạy dao đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard(CMC 03.22), 380HB. Ảnh hƣởng chiều sâu cắt ar đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard(CMC 03.22), 380HB. Mô tả tóm tắt thí nghiệm Rà độ song song của đồ gá và thiết bị đo đảm bảo độ chính xác Mô hình thực nghiệm Hình ảnh máy HS Super MC500 Hình ảnh phôi thực nghiệm Thông số dụng cụ sử dụng thực nghiêm nhà sản xuất dụng cụ Sandvik khuyến cáo Bản vẽ lắp và phân rã 3D của đồ gá thực nghiệm Thiết bị đo lực cắt Thiết bị đo rung động Thiết bị đo độ nhám Thiết bị đo quang học Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với Fx 10 48 49 50 51 52 53 54 55 56 59 61 62 63 63 64 64 65 65 65 66 66 66 67 68 68 70 71 71 72 72 73 73 73 74 74 74 79 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Hình 4.14 Hình 4.15 Hình 4.16 Hình 4.17 Hình 4.18 Hình 4.19 Hình 4.20 Hình 4.21 Hình 4.22 Hình 4.23 Hình 4.24 Hình 4.25 Hình 4.26 Hình 4.27 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với Fy Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với Fz Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với độ nhám bề mặt Ra Sơ đồ phân tích thực nghiệm đáp ứng tần số hệ dụng cụ gia công Giao diện phân tích Modal testing Kết quả phân tích Modal testing Kết quả đo rung động v=596m/p, f=2375mm/p, ar=0,1mm Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar đến rung động theo phƣơng x (Ax) Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar đến rung động theo phƣơng y (Ay) Sự cần thiết cho phát triển hệ thống sản xuất mới Các lĩnh vực nghiên cứu về hệ thống sản xuất thông minh Tích hợp kiến thức chuyên gia tới hệ thống CAD/CAM/CNC Vai trò của khoa học nhận thức đối với hệ thống sản xuất tự động Mô hình của một máy công cụ tự thích nghi Kiến trúc của máy CNC nghiên cứu tối ƣu hóa động Sơ đồ cấu trúc kết nối hệ thống tự điều chỉnh trong quá trình gia công Mô hình đƣờng cắt thực nghiệm phay thuận Ảnh hƣởng của biến dạng dụng cụ cắt khi phay biên dạng Bầy đàn với mƣời cá thể trong không gian tìm kiếm hai chiều Quan hệ vị trí-vận tốc trong không gian hai chiều Một bày đàn toàn cục và lân cận cục bộ Các topology lân cận đơn giản Chuyển động của cá thể Thực nghiệm xác định độ võng của dụng cụ của hãng Sandvik Sơ đồ khối thuật toán PSO Giao diện phần mềm tối ƣu chế độ cắt sử dụng thuật toán PSO Giao diện giải thuật di truyền (GA) tối ƣu chế độ cắt trong Matlab Giao diện kết quả chế độ cắt tối ƣu và Ramin Xu hƣớng kỹ thuật điều khiển thông minh Hệ thống điều khiển tự tối ƣu (Self-Optimizing) Mục tiêu tự tối ƣu hóa trong quá trình gia công Sơ đồ thuật toán điều khiển tự tối ƣu chế độ cắt trong trƣờng hợp mòn dao Giao diện phần mềm tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc Đồ thị và kết quả tối ƣu hóa tại thời điểm =5 phút Đồ thị và kết quả tối ƣu hóa tại thời điểm =8 phút Đồ thị và kết quả tối ƣu hóa tại thời điểm =15 phút 11 79 79 83 84 85 85 86 87 87 93 94 95 95 96 98 98 100 103 103 104 105 105 108 110 111 112 113 113 115 117 118 122 123 124 125 125 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, phay cao tốc (High Speed Milling – HSM) là một trong những công nghệ quan trọng hàng đầu trong nền công nghệ gia công hiện đại. Do tính phức tạp của HSM, cho tới nay vẫn còn rất nhiều câu hỏi mở liên quan tới lĩnh vực này. Các đặc điểm kỹ thuật, đặc tính bề mặt, chất lƣợng sản phẩm và hiệu quả kinh tế có thể đạt đƣợc thông qua quá trình gia công cao tốc. Hiện nay công nghệ gia công cao tốc trên thế giới đang phát triển rất mạnh mẽ. Tuy nhiên, đối với Việt Nam gia công cao tốc còn mới đối với các Doanh nghiệp, cơ sở sản xuất cho nên gặp nhiều khó khăn trong khai thác và đầu tƣ; Máy, trang thiết bị gia công cao tốc khá đắt tiền mức khấu hao lớn mà mức độ tiếp nhận công nghệ chƣa đầy đủ, khai thác thiết bị không hiệu quả và triệt để; Đây là cơ sở và động lực để tác giả nghiên cứu lĩnh vực gia công cao tốc, với mục tiêu nâng cao chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công và tăng tuổi thọ dụng cụ cắt khi phay cao tốc, với cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Trong gia công cao tốc, năng suất và chất lƣợng gia công phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, ảnh hƣởng của các yếu tố vật liệu dụng cụ cắt và thông số hình học của dụng cụ đã đƣợc hãng chế tạo dụng cụ cắt nghiên cứu và chứng minh [38,57]. Đối với một hệ thống công nghệ nhất định thì năng suất hay chất lƣợng bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào thông số chế độ cắt đƣợc cài đặt. Vì vậy, điều khiển thông số chế độ cắt là phƣơng pháp cơ bản và hiệu quả để kiểm soát chất lƣợng gia công và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị. Đặc biệt hơn nữa bề mặt chi tiết sau khi gia công cao tốc có thể đạt độ bóng bề mặt tƣơng đƣơng với phƣơng pháp gia công mài, thời gian đánh bóng bề mặt sau khi gia công cao tốc nhỏ hơn rất nhiều so với phƣơng pháp gia công truyền thống, năng suất bóc tách cao hơn phƣơng pháp gia công truyền thống [46]. Tuy vậy, kéo theo đó dụng cụ cắt mòn nhanh hơn trong quá trình gia công vì tốc độ cắt lớn. Do đó, việc phân tích và xây dựng mô hình toán học ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt, tăng tuổi bền dụng cụ cắt (giảm lƣợng mòn) trong quá trình phay cao tốc và xác định chế độ cắt tối ƣu trong quá trình gia công là cần thiết và luôn mở đối với công nghệ gia công cao tốc. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin và hiệu quả đem lại từ ứng dụng của khoa học máy tính trong sản xuất và với những tiến bộ nhƣ: 1) Tích hợp các quá trình: Các máy công cụ có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ và nhiều trục trên cùng một máy; 2) Dòng dữ liệu hai chiều: STEP-NC, một chuẩn dữ liệu mới, đƣợc sử dụng cho các máy công cụ để trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) và máy công cụ; 3) Điều khiển thích nghi: Các thông tin phản hồi đƣợc đo trực tiếp trong quá trình gia công để giám sát và điều chỉnh hoàn thiện sự thực thi của máy công cụ ngay trong quá trình gia công [53]. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (thuật toán tiến hóa) trong tính toán tối ƣu hóa đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí là xu hƣớng tất yếu và cần thiết. Đây cũng là một phần rất quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống máy thông minh tự thích nghi trong quá trình gia công, giúp tăng năng suất và chất lƣợng sản phẩm (Máy công cụ tự thích nghi có các chƣơng trình máy tính với các đặc tính nhƣ: tự trị, năng lực hợp tác, khả năng phản ứng và tính chủ động [4]). Từ những phân tích nêu trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay cao tốc” để nghiên cứu nhằm mục đích xác định chế độ cắt tối ƣu và tự tối ƣu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình phay cao tốc góp phần vào tiếp cận, khai thác máy và thiết bị phay cao tốc, tăng hiệu quả trong sản xuất và là cơ sở ban đầu cho các nghiên cứu tiếp theo. Theo đó, việc giải bài toán tối ƣu hóa trong gia công cắt gọt nhằm tìm ra một phƣơng pháp tiếp cận mới, hƣớng giải quyết mới trong quá 12 trình đang gia công là cần thiết và có tính tất yếu trong tƣơng lai để giải quyết bài toán công nghệ gia công cắt gọt ngày càng khắt khe và yêu cầu độ chính xác cao. 2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động lực học quá trình phay cao tốc và thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO). - Xây dựng đƣợc mối quan hệ thông số chế độ cắt với lực cắt, độ nhám bề mặt, rung động và mòn dụng cụ cắt dƣới dạng hàm toán học. Xây dựng mối quan hệ lƣợng mòn dụng cụ cắt phụ thuộc vào chế độ cắt và thời gian gia công khi phay biên dạng trên máy phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối. - Xây dựng hàm mục tiêu tối ƣu hóa, thiết lập điều kiện biên, miền giới hạn đối với hệ thống công nghệ để giải bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc. - Xây dựng phần mềm tính toán chế độ cắt tối ƣu và tự tối ƣu hóa (Self Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công khi xét đến mòn dụng cụ cắt và độ nhám bề mặt dựa trên thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization (PSO)). 2.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu gia công phay biên dạng trên máy phay cao tốc HS Super MC500 3 trục điều khiển đồng thời của trung tâm FOXCON, tốc độ quay trục chính: 100÷30000(v/phút), tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1÷30000(mm/phút), tốc độ chạy không lớn nhất: 48000(mm/phút). - Vật liệu nghiên cứu trong gia công là thép C45, dụng cụ cắt là dao phay ngón liền khối của Sandvik gia công đƣợc thép có độ cứng 19- 48 HRC. Đƣờng kính dao D = đƣờng kính chuôi = 20 mm. Số lƣỡi cắt : 4. Lớp phủ Cooltop (TiAlN - Titan Nhôm Nito). Góc nghiêng Helix : 35 độ. - Nghiên cứu, ứng dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) trên phần mềm Matlab và Excel xây dựng hàm quan hệ toán học thông số chế độ cắt với lực cắt, mòn dao, rung động và độ nhám bề mặt khi phay cao tốc biên dạng. - Tối ƣu hóa chế độ cắt để đạt đƣợc chất lƣợng độ nhám bề mặt nhỏ nhất và tự tối ƣu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công đảm bảo hàm thích nghi đa mục tiêu nhỏ nhất của độ nhám bề mặt chi tiết gia công và lƣợng mòn dao. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, ứng dụng phần mềm trong quy hoạch thực nghiệm xử lý số liệu. - Nghiên cứu lý thuyết để phân tích tác động tƣơng hỗ giữa các thông số chế độ cắt đến lực cắt, độ nhám bề mặt, rung động và mòn dao. - Thực nghiệm gia công để xây dựng hàm quan hệ thông số chế độ cắt với các yếu tố trong và sau quá trình cắt: Lực cắt, chất lƣợng độ nhám bề mặt, rung động và mòn dao. Xây dựng mối quan hệ chế độ cắt và thời gian gia công với mòn dao. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học 13  Phân tích rõ hơn cơ sở lý thuyết động lực học gia công khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối.  Xây dựng đƣợc mô hình bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc biên dạng bằng dao phay ngón liền khối với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất với các hàm ràng buộc và miền giới hạn. Ứng dụng thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) trong xây dựng thuật toán tối ƣu và viết phần mềm giải bài toán tối ƣu hóa trên ngôn ngữ lập trình phần mềm Matlab.  Đề xuất mô hình và giải bài toán tự tối ƣu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công với hàm thích nghi đa mục tiêu (độ nhám bề mặt chi tiết và lƣợng mòn dao) nhỏ nhất. Xây dựng thuật toán và lập trình phần mềm bằng Matlab để giải bài toán tự tối ƣu hóa điều chỉnh tốc độ cắt và lƣợng chạy dao thích nghi theo hàm thích nghi đa mục tiêu (hai mục tiêu là: độ nhám bề mặt chi tiết và lƣợng mòn dao) nhỏ nhất.  Làm phong phú thêm lý thuyết tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa (Sefl-Optimzing), ứng dụng thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) của trí tuệ nhân tạo vào lĩnh vực cơ khí gia công - Ý nghĩa thực tiễn  Kết quả của nghiên đã xây dựng đƣợc điều kiện biên và miền giới hạn để giải bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt đạt đƣợc độ nhám bề mặt theo yêu cầu khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối.  Xây dựng phần mềm viết bằng ngôn ngữ của phần mềm Matlab với hai chức năng xác định chế độ cắt tối ƣu với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất và xác định đƣợc tốc độ cắt và lƣợng chạy dao thích nghi theo hàm thích nghi đa mục tiêu (độ nhám và lƣợng mòn dao). Đây là công cụ hỗ trợ cho nhà công nghệ kiểm soát đƣợc chất lƣợng gia công (độ nhám), an toàn dụng cụ (tuổi thọ), lựa chọn chế độ cắt tối ƣu là cơ sở ban đầu cho máy gia công thông minh trong quá trình phay cao tốc. 5. Những đóng góp mới của đề tài - Ứng dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) trên phần mềm Excel để xây dựng mô hình toán học ảnh hƣởng thông số chế độ cắt đến các yếu tố (lực cắt, rung động, mòn dao và độ nhám bề mặt) trong phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối. - Nghiên cứu và ứng dụng giải thuật tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) vào phay cao tốc xác định chế độ cắt tối ƣu đảm bảo đƣợc độ nhám bề mặt nhỏ nhất và tự tối ƣu hóa (Self - Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công đảm bảo hàm thích nghi hai mục tiêu (lƣợng mòn dao và độ nhám bề mặt) nhỏ nhất. - Xây dựng đƣợc phần mềm tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa (Self - Optimizing) chế độ cắt bằng phần mềm Matlab phục vụ trong nghiên cứu và sản xuất. 6. Cấu trúc nội dung của luận án Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, hƣớng nghiên cứu tiếp theo, luận án gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1 Tổng quan về gia công cao tốc; Chƣơng 2 Các thông số đặc trƣng khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối; Chƣơng 3 Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng các mô hình toán học quá trình phay cao tốc; Chƣơng 4 Ứng dụng thuật toán tiến hóa để tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa (Self - Optimizing) quá trình phay cao tốc. 14 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC 1.1 Lịch sử và khái niệm về gia công cao tốc Định nghĩa đầu tiên về HSM đƣợc đƣa ra bởi Carl Salomon vào năm 1931. Ông cho rằng khi tốc độ cắt đạt 5-10 lần tốc độ cắt truyền thồng thì nhiệt độ của phoi sẽ giảm [17]. Thật ra có nhiều cách khác nhau để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố sau: Gia công với tốc độ cắt cao - Gia công với tốc độ cắt cao và lƣợng ăn dao cao. - Gia công với năng suất cao. Lƣợng chạy dao lớn nhất (m/phút) - Phay truyền thống Gia công tốc độ cắt cao (HVM) Gia công tốc độ vòng quay cao(HSM) Tốc độ quay trục chính (v/phút) Hình 1.1 Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công[19] Nhiệt độ cắt Dựa trên nghiên cứu về cắt kim loại trên thép và hợp kim màu: vận tốc cắt v c = 440 m/phút (thép), 1600 m/phút (đồng), 16500 m/phút (nhôm). Và ông đã dự đoán rằng từ một tốc độ cắt xác định thì nhiệt độ gia công sẽ giảm trở lại hình 1.2. Tốc độ cắt Vc (m/phút) Hình 1.2 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon)[17] 15 Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau hình 1.3. Hình 1.3 Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu [19] Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy cao (high spindle speed), hệ điều khiển CNC cao cấp và hơn thế nữa. Tốc độ trục chính khoảng 8000 vòng/phút có thể là điểm khởi đầu cho gia công cao tốc. Trong thực tế, tốc độ cao nhất cho gia công cao tốc trên các máy công cụ ngày càng tăng, lên đến 60.000 vòng/phút và hơn thế nữa. Tốc độ ăn dao trung bình ít nhất là 10 m/s trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên đến 40 m/phút và cao hơn, công suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW [17]. Gia công cao tốc là sử dụng tốc độ cắt lớn gấp nhiều lần gia công thông thƣờng. Một số ví dụ của tốc độ gia công thông thƣờng và tốc độ cắt trong gia công cao tốc đƣợc thể hiện bảng 1.1 Bảng 1.1 So sánh tốc độ cắt gia công truyền thống và tốc độ cắt cao tốc. Vật liệu Độ cứng Gia công truyền HSM vc(thô) (m/phút) HSM vc(tinh)(m/phút) thống vc(m/phút) Với nhu cầu tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất, các nghiên cứu đã đƣợc tiến hành kể từ cuối những năm 1950 để tăng tốc độ bóc tách vật liệu trong gia công, đặc biệt cho những ứng dụng trong công nghiệp hàng không vũ trụ và công nghiệp ô tô. Cụm từ cao tốc là khá chung chung. Nhƣ những quan niệm thông thƣờng, các khoảng của tốc độ cắt có thể đƣợc chia nhƣ sau: 16 1- Tốc độ cao: 300- 1800 m/phút 2- Tốc độ rất cao: 1800-18000 m/phút 3- Tốc độ cực cao > 18000 m/phút Ngày nay, tốc độ quay của trục chính có thể lên tới 40.000 vòng/phút. Tuy nhiên trong công nghiệp ô tô ngƣời ta thƣờng hạn chế tốc độ chỉ còn khoảng 15.000 vòng/phút để độ tin cậy cao hơn và thời gian ngừng do máy hỏng hóc (downtime) ít hơn. Năng lƣợng của trục chính yêu cầu trong gia công cao tốc thƣờng là khoảng 0.004 W/ vòng/phút (0.005 Hp/vòng/phút), trong khi trong gia công thông thƣờng, năng lƣợng đó nằm trong khoảng từ 0.2 đến 0.4 W/ vòng/phút (0.25 đến 0.5 Hp/vòng/phút). Thiết kế trục chính cho gia công cao tốc thƣờng bao gồm một mô tơ điện tích hợp. Điểm quan trọng là motor phải quấn trên trục chính và stato phải đƣợc đặt trên vỏ của trục chính. Các ổ trục có thể là các ổ lăn hoặc thủy tĩnh, thủy tĩnh thì kết cấu nhỏ gọn hơn. Một định nghĩa khác của gia công cao tốc đƣợc đƣa ra để đáp ứng với nhiều loại vật liệu và vật liệu dao sử dụng khi gia công. Theo tài liệu kỹ thuật của hãng chế tạo trục chính của máy phay cao tốc Fischer đƣa ra định nghĩa phổ biến về gia công cao tốc là sử dụng chỉ số Dtr.n đƣờng kính trong của ổ đỡ (mm) nhân với tốc độ trục chính cao nhất (vòng/phút). Trong gia công cao tốc, chỉ số Dtr.n thông thƣờng là khoảng 500.000 đến 1.000.000. Định nghĩa này cho phép các ổ trục chính có đƣờng kính lớn hơn nằm trong loại gia công cao tốc cho dù nó hoạt động với tốc độ quay thấp hơn các ổ đỡ bé. Hình 1.4 Trục chính Fischer170-40-40: 40 krpm/40kW, HSK 63F Tốc độ thông thƣờng của trục chính cao tốc là khoảng 8.000 đến 35.000 vòng/phút, mặc dù có một số trục chính ngày nay đƣợc thiết kế để quay với vận tốc 100.000 vòng/phút. Một định nghĩa khác về gia công cao tốc là dựa vào tỉ lệ của công suất với tốc độ nhanh nhất của trục chính Hp/vòng/phút. Với máy công cụ thông thƣờng, thƣờng có tỉ lệ Hp/vòng/phút lớn hơn máy công cụ cắt cao tốc. Theo tiêu chuẩn này, danh giới phân cách giữa gia công thông thƣờng và gia công cao tốc là khoảng 0.005 Hp/ vòng/phút. Do vậy, gia công cao tốc bao gồm các trục chính công suất từ 50Hp có thể quay ở 10.000 vòng/phút (0.005 Hp/vòng/phút) và trục chính công suất 15Hp có thể đạt tới 30.000 vòng/phút (0.0005 Hp/vòng/phút). Các định nghĩa khác thƣờng tập trung vào năng suất và thời gian gia công ngắn hơn. Trong trƣờng hợp đó, những yếu tố không cắt cũng tham gia vào. Đó là tốc độ dịch chuyển nhanh và tốc độ tự động thay dụng cụ khoảng p). Khi nhiều hơn một răng của dụng cắt tham gia cắt đồng thời, sự tác động của mỗi răng vào tổng lực theo phƣơng chạy dao và lực dọc trục phải đƣợc xét. Nó cũng phải đƣợc lƣu ý rằng, bởi vì mỗi răng sẽ đi xa khỏi răng lân cận của nó bởi góc ăn khớp, độ dày phoi không cắt bị loại bỏ bằng mỗi lƣỡi cắt sẽ khác nhau ở vị trí tức thời của dao phay. Chúng có thể xây dựng trên tổng các lực bƣớc tiến, lực pháp tuyến và lực dọc trục nhƣ: N F x   F xj ( j ), j0 N F y   F yj ( j ), j0 N F z   F zj ( j ), j0 (2.6) Bất cứ khi nào st ≤ j ≤ ex qua đó cho thấy lực cắt tác động trên mỗi răng. Nếu răng j ra khỏi vùng cắt, nó không gây ra lực tổng hợp tác dụng lên dụng cụ cắt hoặc phôi. Kết quả lực cắt tức thời trên dao phay (hoặc phôi) đƣợc tính là: 39 F  2 2 Fx Fy Fz 2 (2.7) Mô-men xoắn cắt tức thời trên trục chính là: Tc D 2 N  F tj ( j )   st   j   ex j0 (2.8) Công suất cắt (Pt) rút ra từ động cơ trục chính là: N P t  v .  F tj ( j )   st   j   ex (2.9) j0 Trong đó: v = π.D.n/1000 là tốc độ cắt, n là tốc độ quay trục chính, D là đƣờng kính của dao phay. Đối với một điều kiện cắt, kỹ sƣ có thể đƣợc dự đoán công suất cắt lớn nhất, mô-men xoắn và lực cắt cần thiết từ trục chính của máy công cụ và hộp bƣớc tiến. Các lực cắt, mô-men xoắn và công suất chu kỳ ở tần số đi qua mỗi răng trong quá trình gia công. Lực cắt tác động có chu kỳ lên cấu trúc máy công cụ, phôi và dao cắt theo bƣớc lƣỡi cắt của dụng cụ cắt trong quá trình gia công. 2.1.3 Phân tích lực trên lƣỡi cắt của dao phay ngón. Trong quá trình gia công bằng dao phay ngón liền khối tải trọng tác động chu kỳ gây ra ứng suất theo chu kỳ cơ học và nhiệt tác dụng lên dao cắt, dẫn đến tuổi thọ của dao cắt giảm. Các loại dao phay ngón lƣỡi cắt xoắn đƣợc sử dụng để làm giảm sự thay đổi đột ngột các thành phần rung động của lực cắt và đƣợc sử dụng khi chiều sâu cắt lớn, nhƣng chiều rộng cắt nhỏ. Chức năng chính của chúng là phay đƣờng bao để đạt đƣợc chất lƣợng bề mặt đƣờng bao. Một dao phay ngón điển hình với rãnh xoắn đƣợc thể hiện trong hình 2.9. Sự xoắn của răng cắt làm tăng dần dần lực dọc theo đƣờng rãnh xoắn của dao phay ngón [63]. Nếu góc xoắn trên dao phay là β, một điểm trên các cạnh của lƣỡi cắt sẽ bị trễ so với điểm cuối của dao phay. Góc trễ (ψ) ở chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục (z) đƣợc xác định nhƣ hình 2.9. tan   D (2.10) 2z   2 z tan  (2.11) D Khi điểm dƣới răng cắt của dao phay ngón có góc ăn dao , một điểm trên răng cắt để cắt chiều sâu z(mm) khi đó góc ăn dao ( - ψ). Chắc chắn rằng, chiều dày của phoi bị loại bỏ dọc theo rãnh xoắn cũng sẽ khác nhau ở mỗi điểm. Một thuật toán Hình 2.9 Hình học dao phay ngón rãnh xoắn [66] mô phỏng lực cắt khi phay đƣợc trình bày trong Bảng 2.1. Các biến đầu vào đƣợc thiết lập bởi ngƣời sử dụng là góc xoắn, góc vào dao và góc thoát dao, chiều sâu cắt dọc trục, số lƣợng răng, hệ số bƣớc tiến, tốc độ trục chính, đƣờng kính dao cắt và hằng số cắt. Dao cắt quay với giá trị gia số góc nhỏ. Tại mỗi góc xoay tăng dần đó, các lực cắt đƣợc tích hợp dọc trục theo các yếu tố khác biệt giữa 40 cắt từ dƣới cùng của rãnh mặt đẩu của dao về phía cuối chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục (phía trên rãnh). Bảng 2.1 Thuật toán mô phỏng lực cắt dao phay ngón[67] Thuật toán Giải thích Thông số đầu vào  Điều kiện cắt  Hình dạng hình học dung cụ Hằng số cắt Góc lặp  Chiều cao lặp Đầu ra Lực cắt   Momen xoắn và Công suất cắt    Khai báo biến  Góc bƣớc cắt  Số bƣớc lặp góc Số bƣớc lặp dọc trục Vòng lặp góc    Góc cắt lƣỡi cắt Lực cắt ban đầu F x (i )  F y (i )  F t (i )  0 Tính toán lực phân bố trên các răng      2  1 Góc chìm cho răng k  2 tan  Chiều sâu cắt lặp dọc trục Vị trí hƣớng tâm a D Góc chìm vì xoắn Nếu  st   2   ex Nếu lƣỡi cắt đang cắt Độ dày phoi tại một điểm ) Đạo hàm lực tiếp tuyến ) Đạo hàm lực hƣớng tâm    Đạo hàm lực theo hƣớng ăn dao  Đạo hàm lực pháp tuyến 41 Tổng các lực tác dụng tất cả lƣỡi cắt Ngƣợc lại tính tiếp đến Tiếp đến Kết quả giá trị lực cắt tại góc cắt F (i )  Kết quả lực cắt 2 2 F x (i )  F y (i ) Mô men cắt Tiến đến Giá trị với góc cắt thay đổi Dừng Kết thúc Thuật toán mô phỏng lực cắt dao phay ngón đƣợc cho trong bảng 2.1. Các biến đầu vào thiết lập của ngƣời sử dụng gồm: góc độ xoắn, chiều sâu cắt dọc trục, số lƣợng răng, tốc độ chạy dao, tốc độ trục chính, đƣờng kính dao cắt và hằng số cắt. Gia công đƣợc quay với góc độ gia tăng nhỏ, tại mỗi vòng quay tăng, lực cắt là tích hợp lực chiều trục cùng các yếu tố khác giữa lát cắt từ dƣới cùng của rãnh về phía cuối chiều sâu cắt. Lực cắt (N) Thí nghiệm và mô phỏng kết quả đối với dao phay ngón lƣỡi cắt xoắn đƣợc phủ bằng hợp kim Titanlium đƣợc đƣa ra trong hình 2.10. Qua mô phỏng cho thấy sự phù hợp giữa kết quả thí nghiệm và mô phỏng để đánh giá chính xác của lực cắt, góc cắt và hệ số ma sát, cũng nhƣ mô hình chính xác hình dáng hình học và cơ học. Thêm sự phức tạp dao phay ngón lƣỡi cắt xoắn và các hoạt động có thể đƣợc mô hình bằng cách sử dụng kỹ thuật gần giống nhau, bằng cách thiết kế suy rộng, hình dáng hình học, chế độ cắt và đƣợc trình bày bởi Altintas và Lee [67]. Góc quay của dụng cụ cắt (độ) Hình 2.10 Mô phỏng lực cắt dao phay ngón 4 lưỡi góc xoắn 30 độ. 2.1.4 Phân tích mô hình lực cắt dao phay ngón. Tính chính xác dự đoán lực cắt phụ thuộc vào khoảng thời gian tích hợp và xử lý của thuật toán. Khi chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục lớn trong quá trình gia công sử dụng dao lƣỡi cắt xoắn thì sự thay đổi chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục nhỏ để tránh xảy ra hiện tƣợng dao động số của lực cắt dẫn đến mất ổn định trong quá trình gia công. Khi lực cắt đƣợc dùng để dự đoán rung động của dao phay ngón hoặc phôi, xảy ra hiện tƣợng dao động số dẫn đến mô phỏng rung động bị lỗi. Dự đoán chính xác đƣợc hiện tƣợng rung động trong quá trình gia công giúp kiểm soát độ chính xác về kích thƣớc và nhám bề mặt tốt hơn [15]. 42 Giả sử dao phay ngón có góc xoắn β, đƣờng kính của dao D, số răng cắt là N hình 2.9. Chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục (ap) không đổi, góc cắt so với phƣơng thẳng đứng , góc cắt của điểm tiếp theo phần còn lại của răng cắt là    ; j = 0,1,2,… (N-1). Tại chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục z có góc trễ Ψ = , trong đó = (2 . Góc cắt đối với rãnh j tại chiều sâu cắt z là: (2.12)    . Phần tử lực tiếp tuyến , lực hƣớng tâm và lực hƣớng trục lên răng cắt với chiều cao dz đƣợc tính nhƣ phƣơng trình sau [66]: tác dụng dFt , j ( , z)   K tc h   j  z    K te  dz ,      dFr, j ( , z)   K rc h   j  z    K re  dz ,     dFa, j ( , z)   K ac h   j  z    K ae  dz     (2.13) Chiều dày phoi là: h j   , z   f z sin  j (z) (2.14) Hƣớng của lực cắt phân bố đều trên trục của răng cắt. Các hệ số lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công và dụng cụ cắt, với giá trị góc xoắn nhƣ góc nghiêng của dao phay ngón (tức là, =β). Các phân tử lực theo phƣơng tiến dao (x), tiếp tuyến (y), và trục (z) đƣợc xác định nhƣ sau: dF x , j   j  z     dFt , j cos  j ( z )  dF r , j sin  j ( z )    dF y , j   j  z     dFt , j sin  j ( z )  dF r , j cos  j ( z )   dF z , j   j  z     dF a , j  (2.15) Thay công thức (2.13) và công thức (2.14) vào công thức (2.15) phƣơng trình có dạng:  c  dF x, j   j  z      -K tc sin 2 j  z   K rc 1  cos 2 j  z      -K te cos  j  z   K re sin  j  z    dz ,    2    c  dF y, j   j  z      K tc 1  cos 2 j  z    K rc sin 2  j  z     K te sin  j  z   K re cos  j  z    dz , (2.16)   2      dF y, j   j  z     K ac c .sin  j  z   K ae  dz   Sự khác nhau các lực cắt đƣợc lấy tích phân theo thành phần lƣỡi cắt thứ j khi đó tổng hợp lực cắt gây ra bởi lƣỡi cắt nhƣ sau: z j ,2 F q ( j  z  )   dFq   j  z   dz , q  x , y , z . (2.17) z j ,1 Trong đó  và ( ) là giới hạn trên và giới hạn dƣới của phần  lƣỡi cắt j. Lấy tích phân đƣợc thực hiện khi   Khi đó phƣơng trình vi phân lực cắt (2.16) có dạng 43   z) . zj , 2   j  z     f  1   K te sin  j  z   K re cos  j  z    Fx, j   j  z     z  -K tc cos 2 j  z   K rc  2 j  z   sin 2 j  z        k   zj ,1   z      4 k  j  z  j ,2   j  z     f  1   z  K tc  2 j  z   sin 2 j  z    K rc cos 2 j  z     K te cos  j  z   K re sin  j  z    F y, j   j  z         k    4 k   z j ,1  z   j    z  1 j ,2   j  z    K ac . f z . cos  j  z   K ae j  z   F y, j   j  z      z j ,1  z k   j     (2.18) Giới hạn lấy tích phân và đƣợc xác định cho mỗi lƣỡi cắt cho một mô hình lực cắt với dụng cụ khác nhau. Khi xét trên chiều dài dọc trục, mỗi khoảng giá trị góc ăn dao và thoát dao [   ] trên mỗi răng xoắn j khi cắt gọt là 5 khoảng phân biệt khác nhau hình 2.11, góc trễ với chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục z =a là = . Theo thuật toán đƣợc sử dụng xác định giới hạn tích phân khi phân tích lực cắt của dao phay ngón:  Nếu    Nếu   Nếu          Nếu      Nếu   Nếu         Nếu      thì lƣỡi cắt không cắt. Hình 2.11 Sơ đồ lực cắt tác dụng Giá trị giới hạn tích phân và đƣợc đƣa lưỡi cắt của dao phay ngón khi ra trong trƣờng hợp liệt kê và thay thế vào công thức gia công (2.18) và kết quả các biểu thức có thể đƣợc đơn giản hơn đối với phép tính hiệu quả trong chƣơng trình máy tính. Chú ý rằng, để sử dụng các biểu thức, lƣỡi cắt j = 0 phải đƣợc sắp xếp tại  = 0 trong khai báo của thuật toán. Lƣỡi cắt còn lại phải đƣợc tính (j = 1,2,3,…, N-1) từ răng sử dụng tham chiếu tại góc ăn khớp (  . Lực cắt phân bố khi tất cả trên lƣỡi cắt đƣợc tính toán và tổng hợp lực cắt tức thời trên dụng cụ cắt tại góc cắt  nhƣ sau:  ∑ ;  ∑ 44 ;  ∑ (2.19) Kết quả tổng lực cắt tác động lên dao phay tại góc cắt  là: √    (2.20)  Tính toán này là phƣơng pháp tính lực cắt tức thời bằng phƣơng pháp tích phân gần đúng. Dạng gần đúng có thể đƣợc sử dụng đối với lập kế hoạch sản xuất, giám sát tác động dụng cụ cắt và phôi của quá trình gia công phay, dự đoán bề mặt sau gia công. Thuật toán có thể đƣợc thực hiện với hệ thống CAD/CAM đối với mô phỏng quá trình phay. Sử dụng chế độ cắt, góc cắt, áp lực cắt và hệ số ma sát để xác định hằng số lực cắt trong quá trình gia công. Tuy nhiên, một số dụng cụ cắt có những lƣỡi cắt phức tạp và việc đánh giá các hằng số cắt gọt bằng cách tạo ra rất nhiều dữ liệu thực nghiệm dẫn đến tốn rất nhiều thời gian mà kết quả không tốt. Trong trƣờng hợp này, phƣơng pháp đo đạc nhanh nhất của dao phay, phƣơng pháp cơ học gần đúng đƣợc sử dụng bởi tác giả E. Budak.    zj ,1  j  z     z j ,2   j  z   1     2 j  z   sin 2 j  z   K rc cos 2 j  z   K cos  j  z   K re sin  j  z     k  te   z j ,1  j  z    z j ,2   j  z    1   K ac . f z . cos  j  z   K ae j  z   F y, j  j  z      k z j ,1  j  z     zj ,2  j  z  Fx, j   j  z    fz 1  -K tc cos 2 j  z   K rc  2 j  z   sin 2  j  z          k  K te sin  j  z   K re cos  j  z   4k   F y, j   j  z     fz  K tc  4k  (2.21)    Một tập hợp các thí nghiệm phay đƣợc thực hiện với các cấp chính xác khác nhau, nhƣng với chiều sâu cắt không đổi. Lực cắt trung bình trên khoả48ng răng đƣợc đo. Để đảm bảo không bị ảnh hƣởng sai lệch trong cách đo, tổng hợp lực cắt trên vòng quay trục chính đƣợc lựa chọn và chia theo số răng trên dụng cụ cắt. Thí nghiệm đã đánh giá lực cắt trung bình đƣợc lấy tƣơng đƣơng với kết quả trung bình của phân tích thí nghiệm lực cắt khi phay qua đó để xác định hệ số lực cắt. Bởi vì tổng lƣợng vật liệu bị loại bỏ trên một răng là hằng số có hay không có góc xoắn, lực cắt trung bình không phụ vào góc xoắn. Thay theo công thức (2.17) và lấy tích phân một vòng quay của   , suy ra dụng cụ cắt và chia cho góc ăn khớp (  ) lực cắt trung bình trên một khoảng răng dao là ̅ = (2.22)   ∫   Do lƣỡi cắt chỉ phụ thuộc vùng chiều sâu cắt (ví dụ,  lực cắt tức thời ta có: ̅ { ̅ {      ̅     }|   ). Lấy tích phân    }|   }|  (2.23) } Khi gia công rãnh dụng cụ cắt góc vào dao là  và góc thoát dao  thay vào công thức (2.22) lực cắt trung bình trên mỗi bƣớc răng tính nhƣ sau: 45 ̅ ̅ (2.24) ̅ } Lực cắt trung bình có thể đƣợc trình bày bằng một hàm tuyến tính lƣợng chạy dao (fz) và độ sai bởi lực lƣỡi cắt nhƣ sau: (2.25) ̅ ̅ ̅ (q=x,y,z) Lực cắt trung bình với mỗi giá trị lƣợng chạy dao đo đƣợc và thành phần lực cắt trung bình của lƣỡi cắt ( ̅ , ̅ ) đƣợc đánh giá bởi dữ liệu hồi quy tuyến tính. Cuối cùng, hệ số lực cắt đƣợc xác định theo công thức (2.24) và (2.25) nhƣ sau: 4F K tc  K rc  yc 4 F K ac  xc , Na p  F zc F K te  , Na p K re   F K ae  , Na p ye , Na p xe , Na p 2F zc . Na p Phƣơng pháp này đƣợc lặp lại đối với mỗi loại hình học dụng cụ cắt khác nhau; do đó, hệ số lực cắt trong quá trình phay không thể dự đoán trƣớc kiểm tra thiết kế dụng cụ cắt mới bằng mô hình cơ học. Tuy nhiên, phƣơng pháp có thể dự báo đƣợc lực cắt trƣớc quá trình chế tạo dụng cụ cắt. 2.2 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công 2.2.1 Đặt vấn đề Chất lƣợng bề mặt của chi tiết máy có tính quyết định đến khả năng làm việc và tuổi bền của chi tiết máy. Qua đó đánh giá đƣợc chất lƣợng công nghệ của sản xuất. Chỉ tiêu này cũng ảnh hƣởng lớn đến giá thành sản phẩm[41]. Để đạt đƣợc chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia công nhà công nghệ cần phải nghiên cứu các phƣơng pháp đánh giá, phân tích và lựa chọn điều kiện cắt hợp lý. Chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công có ảnh hƣởng lớn đến tính chống mòn, độ bền mỏi, tính chất mối ghép của chi tiết máy[7]. Độ nhám bề mặt là một trong những chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của chất lƣợng bề mặt mà khách hàng yêu cầu trong quá trình gia công sản phẩm. Trong quá trình gia công đặc biệt đối với gia công cao tốc các nhà nghiên cứu và thực tế sản xuất luôn mong muốn điều khiển thông số công nghệ (Tốc độ trục chính, lƣợng chạy dao, chiều sâu cắt…) đạt đƣợc độ nhám bề mặt tốt nhất. Các thông số ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt trong quá trình gia công đƣợc trình bày theo biểu đồ xƣơng cá hình 2.5. 2.2.2 Thông số độ nhám bề mặt Chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công đƣợc đánh giá bằng nhiều yếu tố đặc trƣng nhƣ: Hình dáng lớp bề mặt: độ sóng, độ nhám, ...Trạng thái và tính chất cơ lý lớp bề mặt: độ cứng, chiều sâu lớp biến cứng, ứng suất dƣ ...Phản ứng của lớp bề mặt đối với môi trƣờng làm việc: tính chống mòn, khả năng chống xâm thực hoá học, độ bền mỏi.... 46 Thông số điển hình đặc trƣng cho chất lƣợng bề mặt là độ nhám bề mặt. Độ nhám bề mặt bị ảnh hƣởng rất nhiều thông số và điều kiện gia công trong quá trình gia công (chế độ cắt, dung dịch tƣới nguội, rung động, dụng cụ cắt, vật liệu gia công, lực cắt, nhiệt cắt...) hình 2.5. Trong các thông số ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt ảnh hƣởng của chế độ cắt đặc trƣng nhất, dễ kiểm soát và ảnh hƣởng tới tất cả thông số khác (lực cắt, rung động, nhiệt cắt...). Do đó nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt trong gia công tới nhám bề mặt là cần thiết và quan trọng trong kiểm soát điều kiện cắt tối ƣu trong gia công nói chung và phay cao tốc nói riêng. Độ nhám bề mặt và độ bóng bề mặt là thông số đặc trƣng đƣợc sử dụng phổ biến và rộng rãi trong công nghiệp. Độ nhám bề mặt đã đƣợc định nghĩa trong khái niệm trong thuật ngữ đo lƣờng bề mặt: nhƣ cấu trúc bề mặt, bề mặt thực, nhấp nhô, độ rộng nhấp nhô, độ rộng nhấp nhô trên mặt cắt, độ sóng, chiều cao sóng, độ rộng của sóng, vết, nứt và chiều dài lấy mẫu. Độ nhám bề mặt đƣợc xác định bằng thông số sau: Độ nhấp nhô tế vi đƣợc đánh giá bằng chiều cao nhấp nhô Rz hoặc sai lệch profin trung bình cộng Ra. Hình 2.12 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy Rz là chiều cao nhấp nhô trung bình giữa 5 điểm cao nhất và 5 điểm thấp nhất của profin được đo trong phạm vi chiều dài chuẩn l [6]. Chiều dài chuẩn l là chiều dài của phần bề mặt đƣợc chọn để đo độ nhám bề mặt. Trị số Rz đƣợc xác định nhƣ sau: 10 h Rz  (2.26) i i 1 5 Sai lệch profin trung bình cộng Ra là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của khoảng cách từ các điểm trên profin đến đường trung bình, được đo theo phương pháp tuyến với đường trung bình [6]. Đƣờng trung bình là đƣờng đƣợc xác định sao cho tổng diện tích của các hình mà profin làm với đƣờng trung bình ở phía trên bằng tổng diện tích của các hình mà profin làm với đƣờng trung bình ở phía dƣới trong phạm vi chiều dài chuẩn l. Ra đƣợc tính gần đúng: R a  1 n n  y i và đƣợc tính chính xác: R a  1 1 l l  y i .dy (2.27) 0 Theo tiêu chuẩn nhà nƣớc thì độ nhấp nhô bề mặt đƣợc chia làm 14 cấp ứng với giá trị của Rz và Ra. Bước trung bình của các nhấp nhô profin-Sm : là giá trị trung bình của bƣớc nhấp nhô profin trong giới hạn chiều dài chuẩn l. 47 ∑ (2.28) Bước trung bình của các nhấp nhô theo đỉnh S : là giá trị trung bình khoảng cách giữa các đỉnh của nhấp nhô trong giới hạn chiều dài chuẩn l. ∑ (2.29) a. Ảnh hưởng của các yếu tố mang tính in dập hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt Mối quan hệ giữa các yếu tố mang tính in dập hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt với chất lƣợng bề mặt chi tiết máy đã đƣợc nghiên cứu thực nghiệm cụ thể với các phƣơng pháp tiện, phay, mài...Từ đó, có nhiều biện pháp công nghệ thích hợp nhằm cải thiện chất lƣợng bề mặt, nhất là để giảm độ nhám (Rz) hoặc tăng độ nhẵn bóng bề mặt. Với phƣơng pháp tiện, qua thực nghiệm, ngƣời ta đã xác định mối quan hệ giữa các thông số: độ nhấp nhô tế vi Rz, lƣợng tiến dao S, bán kính mũi dao r, chiều dày phoi nhỏ nhất có thể cắt đƣợc hmin. Tùy theo giá trị thực tế của lƣợng chạy dao S mà ta có thể xác định mối quan hệ trên nhƣ sau[6]. - Khi S > 0.15 mm/vòng thì: (2.30) - Khi S < 0.1 mm/vòng thì: (2.31) Ở đây, hmin phụ thuộc bán kính r của mũi dao: + Nếu mài lƣỡi cắt bằng đá kim cƣơng mịn, lúc đó r = 10 µm thì hmin = 4 µm. + Mài dao hợp kim cứng bằng đá thƣờng nếu r = 40 µm thì hmin > 20 µm. - Khi S quá nhỏ (S< 0,03 mm/vòng) thì trị số của Rz lại tăng, tức là khi gia công tinh với S quá nhỏ sẽ không có ý Hình 2.13 Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ nghĩa đối với việc cải thiện cắt và chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi tiện[6] chất lƣợng bề mặt chi tiết vì xẩy ra hiện tƣợng trƣợt mà không tạo thành phoi. Chiều sâu cắt t cũng có ảnh hƣởng tƣơng tự nhƣ lƣợng chạy dao đối với chiều cao nhấp nhô tế vi, nếu bỏ qua độ đảo của trục chính máy. Các thông số hình học của lƣỡi cắt, đặc biêt là góc trƣớc  và độ mòn dụng cụ có ảnh hƣởng tới Rz, khi  tăng thì Rz giảm, độ mòn dụng cụ tăng thì Rz tăng. Xét ảnh hƣởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt khi tiện: 48 - Sau một vòng quay của phôi dao tiện dịch chuyển 1 đoạn là S1 từ vị trí 1 đến vị trí 2 hình 2.13a, trên bề mặt kim loại sẽ bị chừa lại phần kim loại m chƣa bị hớt đi bởi dao, chiều cao nhấp nhô Rz đƣợc xác định bởi S1 và hình dạng hình học của dao cắt. - Nếu giảm lƣợng chạy dao thì chiều cao nhấp nhô cũng giảm đi hình.2.13b. - Thay đổi giá trị góc và 1 không những làm thay đổi chiều cao nhấp nhô mà còn làm thay đổi cả hình dạng nhấp nhô hình 2.13c. - Nếu bán kính mũi dao có dạng tròn r1 thì nhấp nhô cũng có đáy lõm tròn hình 2.13d. - Nếu tăng bán kính mũi dao lên r2 thì chiều cao nhấp nhô Rz sẽ giảm hình 2.13e. - Khi bán kính đỉnh r nhỏ và lƣợng chạy dao S lớn, ngoài phần cong của lƣỡi cắt, phần thẳng cũng tham gia vào việc ảnh hƣởng đến hình dạng chiều cao nhấp nhô hình 2.13f. b. Ảnh hưởng của các nguyên nhân biến dạng dẻo của lớp bề mặt Khi lớp bề mặt của vật liệu gia công bị biến dạng dẻo mạnh, các cấu trúc tinh thể nhỏ biến thành cấu trúc sợi, làm hình dáng và độ nhám bề mặt thay đổi rất nhiều. Mức độ biến dạng phụ thuộc vào vật liệu gia công, chế độ cắt, dung dịch trơn nguội v.v... - Tốc độ cắt v là yếu tố quan trọng nhất, ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt của chi tiết máy:  Khi cắt thép Các bon ở vận tốc thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp bề mặt không nhiều, vì vậy độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng vận tốc đến khoảng v =20-40 (m/phút) thì nhiệt cắt, lực cắt đều tăng và có giá trị lớn gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trƣớc và mặt sau của dao kim loại bị chảy dẻo.  Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trƣớc và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành hiện tƣợng lẹo dao và lẹo dao thì làm tăng độ nhám bề mặt gia công, nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại biến dạng bị phá hủy, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi (lẹo dao bị biến mất khi v= 30-60m/phút). Khi v>60(m/phút) thì lẹo dao không hình thành đƣợc nên độ nhám của bề mặt gia công giảm và độ nhẵn bóng tăng. Khi gia công kim loại giòn (gang) các mảnh kim loại bị trƣợt và vỡ ra không có thứ Hình 2.14 Ảnh hưởng của tốc độ v đến Rz[6]. tự làm tăng độ nhấp nhô tế vi bề mặt, tăng vận tốc cắt sẽ giảm đƣợc hiện tƣợng vỡ vụn của kim loại, làm giảm độ nhấp nhô tế vi bề mặt gia công. - Lượng chạy dao S là thành phần thứ hai của chế độ cắt ảnh hƣởng nhiều đến chiều cao nhấp nhô Rz . Điều đó không những do liên quan về hình học của dao mà còn liên quan đến biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi của lớp bề mặt. Khi gia công thép Cacbon, với giá trị lƣợng chạy dao S=0,02-0,15 mm/vòng thì bề mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi thấp nhất. Nếu giảm S< 0,02 mm/vòng thì độ nhấp nhô tế vi giảm vì ảnh hƣởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hƣởng của các yếu tố hình học. 49 Nếu S > 0,15 mm/vòng thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hƣởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi, kết hợp với ảnh hƣởng của các yếu tố hình học làm cho độ nhám bề mặt tăng lên nhiều. Nhƣ vậy để đảm bảo đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất cao thì nên chọn giá trị lƣợng chạy dao S = 0,02 - 0,15mm/vòng đối với thép các bon. Hình 2.15 Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến Rz[6]. - Chiều sâu cắt t cũng có ảnh hƣởng tƣơng tự nhƣ lƣợng chạy dao S đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công, nhƣng trong thực tế ngƣời ta thƣờng bỏ qua ảnh hƣởng này, vì vậy trong quá trình gia công ngƣời ta chọn trƣớc chiều sâu cắt t. Nhƣng không nên chọn giá trị chiều sâu cắt quá nhỏ vì lƣỡi cắt sẽ bị trƣợt và cắt không liên tục t ≥ 0,02-0,03 mm. - Tính chất của vật liệu cũng có ảnh hƣởng đến độ nhám của bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo và dai (thép ít Cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ cho độ nhám bề mặt lớn hơn vật liệu cứng và giòn. Khi gia công Thép cacbon, để đạt độ nhám bề mặt thấp, ngƣời ta thƣờng tiến hành thƣờng hóa ở nhiệt độ 850-8700c (hoặc tôi thấp) trƣớc khi gia công, để cải thiện điều kiện cắt và nâng cao tuổi thọ của dụng cụ cắt ngƣời ta thƣờng tiến hành ủ ở 9000c trong 5 giờ để cấu trúc kim loại có hạt nhỏ và đồng đều. c. Ảnh hưởng của các nguyên nhân do rung động của hệ thống công nghệ Hiện tƣợng rung động trong quá trình cắt sẽ tạo ra chuyển động tƣơng đối có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và bề mặt chi tiết gia công, gây nên độ sóng và độ nhám trên bề mặt gia công. Sai lệch của các bộ phận máy làm cho chuyển động của nó không ổn định, gây ra dao động cƣỡng bức của hệ thống công nghệ và làm cho độ sóng và độ nhấp nhô tế vi tăng lên nếu chiều sâu cắt lớn, lực cắt tăng và tốc độ cao. Muốn đạt Rz nhỏ phải đảm bảo độ cứng vững của hệ thống công nghệ, điều chỉnh máy tốt, nâng cao độ chính xác của các chi tiết chuyển động, cân bằng các chi tiết có chuyển động quay, dùng các cơ cấu giảm rung, nền giảm rung..... Ngoài dao động cƣỡng bức, khi cắt còn tồn tại hiện tƣợng tự rung. Hiện tƣợng này do chính bản thân quá trình chuyển động cắt gây ra và tự kết thúc khi chuyển động cắt ngừng. Để giảm hiện tƣợng tự rung có thể thay đổi hình dáng hình học của dao sao cho lực cắt giảm theo phƣơng có rung động; chọn chế độ cắt hợp lý để lực cắt theo phƣơng có rung động giảm... 50 d. Ảnh hưởng độ đảo dụng cụ cắt tới độ nhám bề mặt Trong quá trình gia công việc lựa chọn kiểu đài gá dao và phƣơng pháp gá dao ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng bề mặt và độ chính xác của chi tiết gia công. Đặc biệt đối với gia công cao tốc vấn đề này càng quan trọng vì trong quá trình gia công nếu độ đảo không đảm bảo sẽ ảnh hƣởng rất lớn tới chất lƣợng, độ chính xác, mòn dụng cụ và độ ổn định trong gia công. Một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ảnh hƣởng độ đảo ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công[52]. fz(mm/răng) Hình 2.16 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và độ đảo dụng cụ cắt (RO) đến độ nhám bề mặt Theo hình 2.16 cho thấy khi tăng độ đảo và lƣợng chạy dao độ nhám bề mặt cũng tăng. Tuy vậy, cũng dễ nhận ra khi độ đảo tăng dần độ nhám bề mặt tăng, tiếp tục tăng độ đảo thì độ nhám có xu hƣớng giảm sinh ra độ sóng bề mặt. 2.3 Rung động 2.3.1 Đặt vấn đề Trong quá trình gia công cắt gọt có rất nhiều hiện tƣợng xảy ra, ảnh hƣởng đến chất lƣợng gia công và hiệu quả kinh tế. Hiện tƣợng đó sinh ra các đại lƣợng trung gian trong quá trình gia công: lực cắt, rung động, nhiệt cắt, mòn dao...Trong đó hiện tƣợng rung động rất phổ biến trong quá trình gia công và cũng là yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công. Rung động trong quá trình gia công gồm có rung động cƣỡng bức, rung động riêng và tự rung động. Rung động cƣỡng bức sinh ra do lực kích thích tác động và biên độ của rung động cƣỡng bức rất lớn khi xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng dao động kích thích và dao động riêng. Tuy vậy, rung động cƣỡng bức có thể loại bỏ đƣợc bằng cách khử nguồn gây kích thích hoặc làm thay đổi tần số kích thích để tránh xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng, hiện tƣợng mất ổn định trong quá trình gia công. Rung động cƣỡng bức do nguyên nhân 51 tác nhân gây rung động thiết bị khác tới máy, do bản thân hệ thống công nghệ không đƣợc cân bằng, do bị mòn hệ thống truyền động... Rung động riêng của hệ thống công nghệ trong quá trình gia công là rung động sinh ra do sự va đập nhƣ dụng cụ cắt bắt đầu vào cắt... ảnh hƣởng của rung động không đáng kể vì rung động này là rung động tắt dần rất nhanh trong quá trình gia công. Tự rung là rung động sinh ra trong quá trình cắt, do năng lƣợng của quá trình cắt sinh ra. Vì vậy khi không cắt gọt thì hiện tƣợng tự rung biến mất. Trong điều kiện nhất định thì hiện tƣợng tự rung gây mất ổn định trong quá trình gia công, ảnh hƣởng tới độ chính xác gia công. Có rất nhiều nhà nghiên cứu các thông số ảnh hƣởng tới hiện tƣợng tự rung. Trong quá trình gia công có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt gia công trong đó có yếu tố rung động hình 2.5 [17]. Qua đó nhận thấy rung động là yếu tố trung gian sinh ra trong quá trình gia công ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt gia công. Để kiểm soát tốt và tối ƣu thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới chất lƣợng bề mặt gia công, nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt tới rung động trong quá trình gia công phay cao tốc là cần thiết và là cơ sở để đánh giá chất lƣợng bề mặt và mòn dao trong quá trình gia công. 2.3.2 Ổn định và mất ổn định trong quá trình gia công Trong quá trình gia công cắt gọt muốn đạt đƣợc độ chính xác, độ bóng bề mặt cao và tuổi bền của dụng cụ cắt cao điều quan trọng là hệ thống công nghệ không đƣợc rung động hoặc rung động trong giới hạn cho phép [1]. Trong thực tế gia công không có hệ thống công nghệ nào trong quá trình cắt gọt mà không xảy ra hiện tƣợng rung động, nó luôn tồn tại cùng quá trình cắt gọt. Trong quá trình gia công rung động phát sinh, phát triển gây mất ổn định trong quá trình gia công và ảnh hƣởng tới độ chính xác, chất lƣợng bề mặt và tuổi thọ của dụng cụ cắt. - Quá trình gia công mất ổn định là quá trình xuất hiện rung động ngày càng tăng, khi đó hệ thống công nghệ (Máy, dao, đồ gá, chi tiết gia công) có thể rung động với biên độ ngày càng tăng hoặc dần xa vị trí cân bằng cho đến một giới hạn xác định[45]. - Một quá trình cắt đƣợc gọi là ổn định khi dụng cụ cắt bị kích thích sẽ tiến đến một vị trí cân bằng dƣới dạng một dao động tắt dần hoặc tiến đến một mức dao động nào đó ít hơn[2]. - Một hệ thống đƣợc gọi là mất ổn định tĩnh học nếu nguyên nhân gây ra rung động là những lực kích thích phụ thuộc vào vị trí. - Một hệ thống đƣợc gọi là mất ổn định động lực học nếu những lực kích thích gây rung động phụ thuộc vào vận tốc. Biªn ®é Biªn ®é 2.3.3 thông bản rung số Thêi gian động Thêi gian a) b) Hình 2.17 Phân biệt trạng thái ổn định và mất ổn định[2] a) Ổn định 52 Các cơ của b) Mất ổn định Dao động đƣợc mô tả là sự chuyển động của một phần tử hoặc một vật thể quanh vị trí cân bằng, hay còn gọi là vị trí quy chiếu. Đối với một máy quay, vị trí cân bằng này tƣơng ứng với vị trí máy lúc chƣa vận hành. Nếu chuyển động tƣơng tự lặp lại giống hệt sau mỗi chu kỳ ta có hiện tƣợng chuyển động tuần hoàn. Dạng đơn giản nhất của chuyển động tuần hoàn là chuyển động điều hòa. Dao động thƣờng đƣợc diễn tả bằng nhiều cách thức khác nhau nhƣ chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc[2]. a) Chuyển vị Chuyển vị càng lớn khi tần số rung động càng nhỏ. Chuyển vị chỉ đáng kể ở tần số thấp. Do đó việc đo chuyển vị thƣờng ít sử dụng trong việc giám sát rung động. Chuyển vị biểu hiện mức độ mất cân bằng của máy, nên nó là thông số chủ đạo cho việc khảo sát cân bằng. ChuyÓn vÞ 2 Khèi l-îng mÊt c©n b»ng 2 Lùc mÊt c©n b»ng t 3 3 1 1 Thêi gian 4 4 a) b) Hình 2.18 Ví dụ về tín hiệu dao động điều hòa a) Véctơ chuyển động b) Đồ thị chuyển động Ta xét chuyển động của một ổ trục dƣới tác động của một roto không cân bằng. Từ một số điều kiện nào đó ta có thể mô hình hóa sự mất cân bằng này qua hình ảnh một khối lƣợng tại một điểm trên chu vi của trục nhƣ minh họa trong hình 2.18a. Khi trục đƣợc khởi động quay, khối lƣợng mất cân bằng sẽ tác động một lực ly tâm lên ổ trục, nhƣ vậy ổ trục phải chịu một sự chuyển động cƣỡng bức. Chuyển động đó khi chiếu lên tọa độ chuyển vị theo thời gian sẽ có dạng nhƣ trong hình 2.18b. Trong hình này, những điểm từ 1 đến 4 tƣơng ứng với những điểm mà khối lƣợng mất cân bằng, sau một vòng quay, đi qua các vị trí từ 1 đến 4 nhƣ đã ghi trong hình 2.18a. Ta có thể thấy sau mỗi vòng quay của roto, chuyển động của ổ trục sẽ lặp lại giống hệt nhƣ trƣớc. Đó chính là ví dụ về chuyển động tuần hoàn. Về mặt toán học ngƣời ta miêu tả chuyển động tuần hoàn bằng phƣơng trình sau: x ( t )  A sin(  t ) (2.32) Trong đó: x: chuyển vị của ổ trục; t: thời gian; A: biên độ chuyển động; ω: tần số vòng. Hình 2.18b cho thấy chu kỳ chuyển động – ở đây là một vòng quay của roto – là T, nghĩa là chuyển động đƣợc lặp lại khi t = T, và có đơn vị là giây (s). Ngƣợc lại với chu kỳ là tần số f  1 T , đơn vị đo tần số là Hz;Tần số góc ω đƣợc đo bẳng đơn vị rad/s. Biểu thức quan hệ giữa các đại lƣợng trên:   2 f  2 T 53 (2.33) b) Vận tốc Vận tốc rung động có mối quan hệ đơn giản với năng lƣợng rung động. Năng lƣợng rung động phát ra bị tiêu tán bên trong máy do sự va chạm giữa các bộ phận rung động. Các lực va chạm này làm tăng nhiệt độ và tốc độ mài mòn. Do đó làm tăng khoảng hở giữa các bộ phận bị rung và rung động càng trở nên nghiêm trọng. Tổng năng lƣợng phát ra tỷ lệ với giá trị mức quân phƣơng (RMS). Do đó đo vận tốc rung động cho biết mức độ mài mòn hiện tại và dự đoán đƣợc mức độ mài mòn tiếp theo sau đó. Vì vận tốc của dao động tƣơng ứng với mức độ thay đổi của chuyển vị theo thời gian, dao động cũng có thể đƣợc biểu thị qua đại lƣợng vận tốc. v (t )  dx  x   A cos(  t )   A sin(  t  dt  ) 2 (2.34) c) Gia tốc Gia tốc rung động càng lớn khi tần số rung động càng cao, vì vậy nó đƣợc dùng để kiểm tra những rung động có tần số cao. Từ tín hiệu gia tốc có thể suy ra hai thông số còn lại của rung động một cách chính xác thông qua bộ tích phân.Gia tốc là mức độ thay đổi của vận tốc theo thời gian, đƣợc diễn tả bằng công thức sau: a (t )  dx 2  v  dt d x dt 2 2 2  x    A cos(  t )   A sin(  t   ) (2.35) Khi biết đƣợc một trong ba thông số này của rung động thì có thể phân tích rung động và chẩn đoán hƣ hỏng của máy. Vì vậy cần có thiết bị hợp lý để đo các thông số rung động cho các mục đích thích hợp. d) Quan hệ giữa các thông số Từ những phƣơng trình trƣớc ta thấy rõ là dạng và chu kỳ dao động của chuyển vị, vận tốc và gia tốc đều giống nhau; tuy nhiên biên độ của mỗi thông số là khác nhau và sự khác biệt chủ yếu là pha của các thông số này lệch nhau. Cụ thể là vận tốc đi trƣớc chuyển vị góc pha π/2, gia tốc đi trƣớc vận tốc góc pha π/2, nghĩa là gia tốc đi trƣớc chuyển vị góc pha π. Hình 2.19 cho ta thấy đồ thị của chuyển vị x(t), vận tốc v(t), gia tốc a(t) của cùng một chuyển động a) b) Hình 2.19 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của cùng một chuyển động a) Các vecto chuyển vị, vận tốc, gia tốc b) Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc . 54 2.3.4. Phân tích ảnh hƣởng của rung động trong quá trình gia công a) Mô hình động lực học gia công. Trong suốt quá trình bóc tách vật liệu dụng cụ cắt chịu tác động bởi thành phần lực cắt tức thời theo phƣơng tiếp tuyến Ft, theo phƣơng pháp tuyến Fr, theo phƣơng dọc trục Fa( hệ thống lực cắt dao phay ngón khi phay biên dạng). Xét tại một điểm tiếp xúc giữa dụng cụ 𝒉𝒋 𝒕 𝒔𝒋 𝐬𝐢𝐧 𝒋 𝒕 𝒙 𝒕 𝒔𝒊𝒏 𝒋 𝒕 𝒚 𝒕 𝒄𝒐𝒔 𝒕 𝒋 𝒙 𝒕 𝑻 𝒔𝒊𝒏 𝒋 𝒕 𝑻 𝒚 𝒕 𝑻 𝒄𝒐𝒔 𝒋 𝒕 𝑻 Hình 2.20 Tự rung trong hệ thống phay hai bậc tự do[29]. cắt và phôi có ba thành phần lực tác dụng lên dụng cụ cắt (Lực cắt theo phƣơng x: Fx, lực cắt theo phƣơng y: Fy, theo phƣơng z: Fz) trong hệ tọa độ Đêcac OXYZ đƣợc xác định nhƣ hình 2.20 [29]. Mô hình hóa động lực học khi phay đƣợc nghiên cứu là mô hình 2 bậc tự do. Quá trình gia công lực cắt theo phƣơng dọc trục nhỏ. Trong mô hình động lực học ta có thể bỏ qua không xét. Phƣơng trình động lực học Newton cho hệ hai bậc tự do ̈ ̈ ̇ } ̇ Trong đó: - T là chu kỳ răng cắt của dụng cụ: - : vận tốc góc quay của trục chính - N: Số răng cắt của dụng cụ 55 (2.36) - mx, my là khối lƣợng của hệ, k: độ cứng của lò xo (N.m), c x,cy: hệ số giảm chấn thực tế (N.s/m). Theo nghiên cứu [17] phƣơng trình lực cắt viết dƣới dạng ma trận.  Fx  1    apKt  Fy  2  a xx   a yx a xy    x     a yy    y  (2.37) Trong đó : x=x-x0 và y=y-y0 là giá trị dịch chuyển tƣơng đối theo phƣơng X, Y vị trí hiện tại và vị trí của răng cắt trƣớc của dụng cụ cắt; ap: chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục; Kt: hệ số lực cắt. N 1 a xx    g j  sin 2 j  K r (1  cos 2  j )    j0  N 1 a xy    g j  (1  cos 2 j )  K r sin 2  j   j0   N 1 a yx   g j  (1  cos 2 j )  K r sin 2  j   j0  N 1  a yy    g j  sin 2 j  K r (1  cos 2  j )   j0  (2.38) Xét thấy thông số góc thay đổi theo thời gian và vận tốc góc, phƣơng trình (2.37) có thể đƣợc viết lại nhƣ sau [44, 22]. { F ( t )}  1 2 aK t [ A ( t )]{  ( t )}. (2.39) Theo phƣơng pháp biến đổi Fourier lực cắt phụ thuộc vào miền thời gian sang phụ thuộc vào miền tần số. { F ( )}  1 2 aK t {[ A ( )]*{  ( )}}. (2.40) Hình 2.21 Sơ đồ phân tích Fourier trong thiết bị đo rung động Với phƣơng pháp biến đổi Fourier trong thiết bị đo rung động phƣơng pháp biến đổi Fourier thực hiện theo sơ đồ hình 2.21. Véc tơ rung động ở thời điểm hiện tại (t) và thời điểm trƣớc đó (t-T) đƣợc xác định nhƣ sau: { Q }  { x ( t ) y ( t )} ; T { Q 0 }={ x ( t  T ) y ( t  T )} T (2.41) Hoặc miền tần số { Q ( )}  [G ( i )]{ F ( )} { Q 0 ( )}  e  i T { Q ( i )} (2.42) Ma trận hàm đáp ứng tần số ([G(i)]) của cấu trúc miền tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phôi là  G xx ( i ) [G ( i )]=   G yx ( i ) 56 G xy ( i )   G yy ( i )  (2.43) Trong đó: G xy ( i ) , G yx ( i ) G xx ( i ) , G yy ( i ) là hàm truyền trực tiếp theo phƣơng x và phƣơng y, là hàm truyền theo hai phƣơng. Mô tả rung động ở tần số rung động  trong miền tần số thay {}={(x-x0) (y-y0)}T ta có: {  ( i )}  {Q(i  )}  { Q 0 ( i )}  [1  e  i T ][G ( i )]{ F ( )}. (2.44) Thay {  ( i )} vào phƣơng trình động lực học phay trong miền tần số (2.38) ta có { F ( )}  1 2 a p K t [ A ( )] * [1  e  i T ][G ( i )]{ F (  )} . (2.45) Khi dụng cụ cắt quay trong quá trình gia công phay hƣớng của lực cắt không thay đổi không nhƣ quá trình gia công tiện. [A(t)] là biên độ phụ thuộc thời gian tần số T=N. hoặc T=2/T khi [A(t)] =[A(t+T)] có thể đƣợc miêu tả biến đổi chuỗi Fourier nhƣ sau:  [ A ( )]   F [A (t)]   [ A ]  (  -r  )   [ A ] e r r   [ Ar ]   1  T T 0 [ A ( t )] e  ir  T t T r   ir  T t r dt      (2.46) Ở đó  và F biểu thị hàm Dirac và phép biến đổi Fourier, ma trận hƣớng [A(t)] 0 khi   hệ số Fourier đƣợc đánh giá qua số răng cắt N của dụng cụ cắt. [ Ar ]= 1 N 1 T  a xx , j   T a j0 a xy , j   ir t dt . e a yy , j  T 0 yx , j (2.47) Mặt khác ta có: d    t  0   j 0  jT ,  j (0)  j T  j p   t  T   j  T  jT ,  j (T )  ( j  1) T  ( j  1) p ,   (2.48) j(t)= (t+jT)= .j (2.49)  j  t  jT , d  j  dt  Khi j= 0 răng đầu tiên của dụng cụ cắt sử dụng để làm gốc tham chiếu ta có = t. Trong đó bƣớc góc(p) của dụng cụ cắt p= T=2/N. Thay Tt=N. ma trận hƣớng viết lại nhƣ sau:   N 1 1 [ Ar ]  T j0 1    a xx ,0    p  0  a yx ,0 p N 2 ( j 1 )  p    a xx  a 2  0 yx j p  a xx , j   a yx , j a xy , j   irN  d  e a yy , j  a xy ,0   irN  d  e a yy ,0  a xy   irN  d. e a yy  57 2 p  a xx ,1   a  p yx ,1 a xy ,1   irN   d   ...  e a yy ,1   (2.50) Tuy nhiên hàm chu kì khác không khi góc cắt trong khoảng (st,ex) khi đó phƣơng trình viết lại nhƣ sau: [ Ar ]  N 2  ex  st  a xx   a yx   xx  (r)   yx a xy   irN  N d  e a yy  2  xy  , (r)   yy  (r) (r) (2.51) Trong đó giới hạn của bộ đếm điều hòa (r) nhƣ sau:  xx  (r)  xy  (r)  yx  (r)  yx  (r) i 2 i 2 i 2 i 2   c 0 K r e  ir N    c 0 K r e  ir N    c 0 K r e  ir N    c 0 K r e  ir N   c1 e  ip1  c1 e  ip1  c1 e  ip1  c1 e  ip1    |      ip   c2e  |     ip   c2e  |      ip   c2e  |    c2e  ip 2  ex st ex 2 st (2.52) ex 2 st ex 2 st Trong đó: p1=2+Nr, p2=2-Nr, c0=2/Nr, c1=(Kr-i)/p1, c2=(Kr+i)/p2. Chú ý rằng khi Nr=-2 thì p1=0, c1=, Nr=2 thì p2=0, c2=. Độ chính xác của giá trị [A(t)] phụ thuộc vào r và tần số qua răng (T) điều kiện cắt gọt, số răng cắt của dụng cụ cắt. Nếu xét trƣờng hợp r=0, 2 hệ số ma trận định hƣớng đƣợc xác định nhƣ sau 1 [ A ( t )]   [A r ] e r  1   xx   ( 1)   yx  xy  ( 1) ir  T t  xx   (0)  yx ( 1) (0) e ir  T t  yy  ( 1)  xy   xx   ( 1) (0)   yy   yx ( 1) (0)  xy  ( 1) e  yy  ( 1) ir  T t (2.53) Ổn định rung động bậc không trong gia công phay. Nếu xấp xỉ gần đúng trung bình các phần tử của chối Fourier (r=0). Khi đó ta có ma trận hƣớng [ A0 ]= 1 T T  [ A ( t )] dt  0 1 p  ex  [ A ( )] d   st N   xx  2    yx  xy    yy  (2.54) Trong đó:  xx  1  xy  1  yx  1  yy  1 2 2 2 2  cos 2  2 K   K r sin 2  |  ex r   sin 2  2  K r cos 2  | st   sin 2  2  K r cos 2  | st   cos 2  2 K 58 st  ex  ex   K r sin 2  |  ex r st          .  (2.55) Hệ số trung bình của ma trận hƣớng phụ thuộc vào hệ số lực cắt theo phƣơng hƣớng kính (Kr) và bề rộng cắt bởi góc ăn dao(st) và góc thoát dao(ex) nhƣ hình sau: Khi đó phƣơng trình (2.45) đƣợc viết lại nhƣ sau Phay nghịch Góc thoát dao(ex) Phay thuận Góc bắt đầu ăn dao (st) Hình 2.22 Ảnh hưởng của hệ số lực cắt theo phương hướng kính (Kr) và bề rộng cắt bởi góc ăn dao (st) và góc thoát dao (ex) đến hệ số trung bình ma trận hướng[29] { F ( )}  1 2 aK t {[ A0 ][1  e  i T ][  (i  )]{ F (  )}, (2.56) Trong đó [A0] không thay đổi theo thời gian, hƣớng của ma trận hệ số lực phụ thuộc vào phần dụng cụ cắt ăn vào phôi. Bởi vì chu kỳ lực cắt trung bình trên một răng phụ thuộc vào góc xoắn của lƣỡi cắt (). Ma trận [A0] cũng đúng với dao phay ngón lƣỡi cắt xoắn. Nếu hệ ổn định bởi rung động của tần số dao động c, nghiệm của phƣơng trình đặc tính đƣợc tìm ra từ phƣơng trình định thức sau: 1    i T det [ I ]  K t a (1  e )[ A0 ][  (i  c )]  0   2   c (2.57) Đơn giản hơn xác định hƣớng của ma trận đáp ứng tần số   xx G xx ( i c )   xy G yx ( i c ) [ G 0 ( i c )]    yx G xx ( i c )   yy G yx ( i c )  xx G xy ( i c )   xy G yy ( i c )    yx G xy ( i c )   yy G yy ( i c )  (2.58) Và giá trị riêng của phƣơng trình đặc tính là:   N 4 aK t (1  e  i c T ). Phƣơng trình đặc tính trở thành det | [ I ]   [G 0 ([i  c ] | 0 (2.59) (2.60) Nếu hai bậc tự do vuông góc với nhau theo phƣơng dịch chuyển(x) và phƣơng vuông góc(y) đƣợc xét (Gxx=Gyx=0.0) thì phƣơng trình đặc tính là hàm bậc hai sau: a 0   a1   1  0, 2 59 (2.61) Ở đó a 0  G xx ( i c ) G yy ( i c )( xx  yy   xy  yx )   a 1   xx G xx ( i c )   yy G yy ( i c )  (2.62) Giá trị riêng  đƣợc tính nhƣ sau: 1   2 a0  a1  (2.63)  a1  4 a o . 2 Xét trên mặt phẳng cắt(x,y) phƣơng trình đặc tính là hàm bậc 2 đơn giản không xét đến chuyển động của cấu trúc máy công cụ. Bởi vì hàm đáp ứng tần số rất phức tạp giá trị riêng có phần thực và phần ảo, =R+ii. Thay giá trị riêng và vào phƣơng trình (2.59) giá trị tới chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục ở tần số rung c nhƣ sau[29]: b lim   2    R (1  cos  c T )   I sin  c T    NK t  (1  cos  c T )  i  I (1  cos  c T )   R sin  c T (1  cos  c T ) . (2.64) Bởi vì blim là số thực, còn phần ảo của phƣơng trình (2.64) bị triệt tiêu nhƣ sau:  I (1  cos  c T )   R sin  c T  0. Thay    I  R sin  c T 1  cos  c T (2.65) vào phần thực của phƣơng trình (2.64) (giá trị phần ảo bị triệt tiêu) giá trị cuối cùng của chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục tự rung nhƣ sau: b lim   2  R ( t   ). 2 (2.66) NK t Do đó khi cho tần số rung động c giới hạn rung động chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng trục đƣợc xác định theo phƣơng trình (2.66). Tƣơng ứng với tốc độ vòng quay trục chính cũng đƣợc xác định dạng tƣơng tự rung động cắt theo phƣơng vuông góc.   tan   co s( c T / 2 ) sin (  c T / 2 )  tan [  / 2  (  c T / 2 )] (2.67) Sự thay đổi pha của giá trị riêng là =tan-1  và cT=-2+2k là khoảng các pha trong một chu kỳ răng dao(T). Nếu k là số nguyên của sóng dao động và ò =-2 chuyển pha giữa điểm rung động hiện tại với điểm rung động trƣớc đó.  cT  ò  2 k  . (2.68) Vì vậy chu kì qua răng cắt T(s) đƣợc tính toán nhƣ sau T  1 c (ò  2 k  )  n  60 NT 60 . (2.69) Tóm lại, đáp ứng tần số của hệ thống máy công cụ đã đƣợc xác định và các hệ số trực tiếp đƣợc đánh giá bắt nguồn từ phƣơng trình (2.54) cho cụ thể dụng cụ cắt, vật liệu phôi và phần dụng cụ cắt tham gia cắt theo phƣơng hƣớng kính của dụng cụ cắt. Qua quá trình tìm hiểu nguyên nhân và phân tích rung động trong quá trình gia công phay cao tốc bằng dao phay ngón. Mô hình hóa sơ đồ khối hàm truyền để mô phỏng rung động trong quá trình gia công nhƣ sau. Hình 2.23 Sơ đồ hàm truyền của rung động trong quá trình phay cao tốc[29] b) Phân tích ảnh hưởng của thông số chế độ cắt đến rung động. Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tƣơng đối có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công. Sai lệch của các bộ phận máy làm cho chuyển động của máy không ổn định, hệ thống công nghệ sẽ có dao động cƣỡng bức, nghĩa là các bộ phận máy khi làm việc sẽ có rung động với các tần số khác nhau, gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với bƣớc sóng khác nhau. Khi hệ thống công nghệ có rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế vi dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng, chiều sâu cắt lớn và tốc độ cắt cao[6]. Trong quá trình phay cao tốc với tốc độ cắt lớn và lực cắt thay đổi tức thời rung động trong quá trình gia công khá phức tạp. Đặc biệt nghiên cứu khi gia công phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối có lƣỡi cắt và góc xoắn của lƣỡi cắt trong quá trình gia công gây ra va đập, rung động tức thời và thay đổi có tính chất chu kỳ. Hơn nữa quá trình gia công gồm cả rung động cƣỡng bức, rung động riêng và tự rung xảy ra. Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt tới rung động trong quá trình gia công qua đó xây dựng mô hình toán học về mới quan hệ giữa các thông số chế độ cắt với đại lƣợng đặc trung của rung động (Biên độ rung động). Trên cơ sở mô hình toán học giúp cho nhà công nghệ dự đoán và tối ƣu hóa chế độ cắt để quá trình gia công không xảy ra sự mất ổn định và đảm bảo chất lƣợng bề mặt gia công[60]. 61 Trong quá trình gia công có rất nhiều hiện tƣợng rung động ảnh hƣởng tới chất lƣợng bề mặt chi tiết máy. Trong đề tài tác giả giới hạn nghiên cứu thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới rung động trong quá trình gia công và độ nhám bề mặt chi tiết gia công. Điều này có nghĩa giả thuyết cơ hệ của máy-dụng cụ- phôi đảm bảo cứng vững ổn định trong quá trình gia công. 2.4 Mòn dụng cụ cắt 2.4.1 Khái niệm mòn dụng cụ cắt Khi hai vật thể chuyển động tƣơng đối với nhau cả hai sẽ bị mài mòn. Độ mòn của mỗi vật thể phụ thuộc vào bản chất của vật đó, tốc độ chuyển động, điều kiện tiếp xúc (tải trọng, hệ số ma sát), môi trƣờng tiếp xúc (chất bôi trơn). Trong quá trình gia công (quá trình cắt), dụng cụ cắt bị mài mòn cả mặt trƣớc và mặt sau (mặt trƣớc tiếp xúc với phoi, mặt sau tiếp xúc với bề mặt chi tiết gia công). Việc nghiên cứu mòn dụng cụ cắt rất phức tạp vì các chi tiết tiếp xúc và chuyển động trong điều kiện nhiệt độ cao và áp lực lớn. Mòn, hỏng dụng cụ những vấn đề nghiêm trọng trong gia công cơ khí nói chung và gia công cao tốc nói riêng. Nó không những làm tăng chi phí sản xuất mà còn làm giảm chất lƣợng của sản phẩm. Mòn dụng cụ làm gián đoạn quá trình gia công và về thực chất làm tăng thời gian chuẩn bị gia công. Mòn, hỏng dụng cụ là một vấn đề phức tạp, nó phụ thuộc nhiều yếu tố trong quá trình gia công nhƣ: Đặc tính dụng cụ cắt (Thông số hình học dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt, chịu nhiệt và tính chống mòn), thông số gia công (Dung dịch tƣới nguội, chiều sâu cắt, tốc độ cắt và lƣợng chạy dao), phôi gia công (Thành phần hóa học của vật liệu phôi, độ dẻo dai của vật liệu, độ cứng thay đổi), các hiện tƣợng cắt gọt khác trong quá trình gia công (Ma sát vùng cắt, lực cắt thay đổi trong quá trình gia công, rung động, nhiệt độ thay đổi và cày mòn trong quá trình gia công). 2.4.2 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt đã đƣợc nghiên cứu nhiều trong khi nghiên cứu về quá trình mòn của dụng cụ trong quá trình gia công. Những giả thiết và lý thuyết về mòn, ban đầu đƣợc nghiên cứu và đƣa ra trên cơ sở nghiên cứu dụng cụ cắt thép gió và thép dụng cụ, sau đó đến HKC, kim cƣơng và các loại vật liệu dụng cụ khác. Các nghiên cứu này nhằm giải quyết vấn đề lý thuyết về mòn dụng cụ. Để có thể thiết lập đƣợc mối quan hệ thay đổi có quy luật của sự mài mòn cần phải nghiên cứu cơ chế mài mòn (bản chất mài mòn). a) Mài mòn chảy dính. do Dụng cụ bị mài mòn do các phần tử nhỏ của vật liệu dụng cụ trong quá trình ma sát giữa dụng cụ và chi tiết gia Hình 2.24 Cơ chế mài mòn dụng cụ 1) Mài mòn do cào xước; 2) Mài mòn do bám dính; 3) Mài mòn do nhiệt độ 4) Mài mòn do oxy-hóa; 5) Mài mòn do khuếch tán 62 công bị dính vào chi tiết gia công và phoi.Với áp lực cao và chuyển động liên tục các bề mặt vật liệu gia công đối với các bề mặt dụng cụ rất thuận lợi cho quá trình chảy dính. Các vết đặc tính của hiện tƣợng mòn dính có thể quan sát đƣợc bằng kính hiển vi bề mặt tiếp xúc của dụng cụ sau khi cắt. Khi các bề mặt tiếp xúc trƣợt lên nhau trong quá trình cắt liên tục, xuất hiện các phần tử chảy dính. Bề mặt dụng cụ theo các điểm riêng biệt tiếp xúc thực, chịu tác dụng của ứng suất cắt. Kết quả là các phần tử nhỏ của vật liệu tách ra khỏi bề mặt, thông thƣờng từ các loại vật liệu dẻo, dễ bị chảy dính hơn, nhƣng bằng phƣơng pháp đồng vị phóng xạ ngƣời ta xác định đƣợc rằng đồng thời cũng từ các vật liệu cứng. Do đó, trong quá trình cắt trên các bề mặt tiếp xúc các phần tử nhỏ chảy dính, gắn vào bề mặt, xuất hiện, mất đi, có tính chất chu kỳ trong các phạm vi hẹp trên bề mặt dụng cụ. Kích thƣớc mà các phần tử nhỏ dao động từ vài phần trăm mm, còn diện tích tiếp xúc chịu chảy dính khoảng 10% đến 60% diện tích tiếp xúc tiêu chuẩn. Qua nghiên cứu có thể xác định đƣợc rằng trên 1 mét hành trình cắt mỗi điểm tiếp xúc chịu 103 lần tác dụng ứng suất tách dính. Đặc tính phá hủy các lớp bề mặt vật liệu dụng cụ liên quan với hiện tƣợng phá hủy. Mỗi phần tử tách ra khỏi bề mặt là nguyên nhân tạo nên vết trên bề mặt tiếp xúc của dụng cụ và gây hỏng lớp bề mặt. Hình 2.25 Mài mòn chảy dính a. Sự chảy dính của vật liệu b. Hình ảnh chụp khuyếch đại mòn vì dính Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: Khi cắt với tốc độ thấp các loại vật liệu có sức bền lớn, mòn vì dính ở dụng cụ thép gió nhỏ hơn nhiều so với HKC. b) Mài mòn hạt mài (cào xước) Một trong những cơ chế mài mòn dụng cụ cắt là mài mòn hạt mài (cào xƣớc). Bản chất của mòn hạt mài là các hạt cứng của vật liệu gia công (phoi) cào xƣớc (mài mòn) ăn vào bề mặt tiếp xúc của dụng cụ tác dụng nhƣ một hạt mài nhỏ cắt vào bề mặt dụng cụ. Mài mòn càng lớn khi độ cứng bề mặt tiếp xúc của dụng cụ trong quá trình cắt Dụng cụ cắt Hình 2.26 Mài mòn hạt mài (cào xước) 63 không cao. Đặc biệt khi có hiện tƣợng lẹo dao trên mặt trƣớc, một số phần tử nhỏ của lẹo dao gây ra vết mòn do cào xƣớc trên mặt sau; Ngoài ra trong quá trình cắt có sử dụng các dung dịch hóa học hoạt tính, chúng sẽ góp phần gây nên mòn cơ hóa học (ăn mòn hóa học kết hợp với cào xƣớc). Cơ chế mài mòn hóa học thƣờng xảy ra chủ yếu ở các mặt sau. *Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: Khi gia công bằng dao HKC các phần tử hóa chất có hoạt tính của HKC sẽ nâng cao tuổi bền dụng cụ bởi vì mòn dính giảm và mòn cào xƣớc hóa học ít. Khi gia công bằng các dụng cụ cắt thép gió các phần tử hóa chất có hoạt tính cao làm tăng độ mòn cơ hóa, cào xƣớc và giảm tuổi bền dụng cụ. Từ các phân tích trên ta thấy rằng: các dạng dụng cụ cắt làm việc ở tốc độ thấp, nhiệt cắt thấp bị mòn chủ yếu là mòn vì dính và cào xƣớc. c) Mòn khuyếch tán. Ở nhiệt độ cao mòn khốc liệt dụng cụ cắt HKC thƣờng xảy ra do khuyếch tán vật liệu dụng cụ vào vật liệu chi tiết gia công. Ở nhiệt độ cao, biến dạng dẻo lớn xảy ra hiện tƣợng hòa tan lẫn nhau của vật liệu dụng cụ và vật liệu chi tiết gia công. Kết quả là một phần vật liệu dụng cụ hòa tan khuyếch tán trong suốt quá trình cắt, phoi và vật liệu gia công mang theo một phần vật liệu dụng cụ. Dụng cụ cắt b) a) Hình 2.27 Mòn khuếch tán a. Hiện tượng khuếch tán của các nguyên tử b. Mòn trên mặt trước của dao tiện d) Mòn ôxy hóa Dƣới tác dụng của tải trọng nhỏ các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng, mòn xảy ra với tốc độ mòn thấp và các hạt mòn oxit nhỏ đƣợc hình thành. Bản chất của cơ chế mòn này là sự bong ra của các lớp oxy hóa khi đỉnh các nhấp nhô trƣợt lên sau. Sau khi lớp oxi bị bong ra thì lớp khác lại đƣợc hình thành theo một quá trình nối tiếp nhau liên tục. Tuy nhiên, theo Halling thì lớp màng oxit và các sản phẩm tƣơng tác hóa học với môi trƣờng trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tƣợng dính của đỉnh các nhấp nhô. Khi cặp ma sát trƣợt làm việc trong môi trƣờng chân không thì mòn do dính xảy ra mạnh hơn do không thể hình thành lớp màng oxit. 64 Dụng cụ cắt Hình 2.28 Mòn ôxy hóa e) Mòn do nhiệt. Thể tích vật liệu tại lƣỡi cắt của dụng cụ là rất nhỏ nên khi cắt nhiệt độ cắt tập trung tại vị trí lƣỡi cắt, do đó sẽ xảy ra hiện tƣợng quá nhiệt của vật liệu dụng cụ dẫn đến phá hủy lƣỡi cắt do nhiệt. Dụng cụ cắt a) b) Hình 2.29 Mòn do nhiệt a. Mài mòn vì nhiệt của dao tiện b. Hình ảnh mài mòn vì nhiệt của dụng cụ cắt 2.4.3 Các dạng mòn phần cắt dụng cụ cắt Nhìn chung, những khía cạnh phân tích mòn trong gia công tiện cũng tƣơng tự trong gia công phay. Tiêu chuẩn ISO 8688[23] mô tả vị trí và kiểu mòn chính dao phay ngón liền khối cho thấy phần cắt dụng cụ trong quá trình gia công thƣờng bị mài mòn theo các dạng sau: a) Mài mòn theo mặt sau. Dạng mài mòn này đƣợc đặc trƣng bởi một lớp vật liệu dụng cụ bị tách khỏi mặt sau trong quá trình gia công và đƣợc đánh giá bởi chiều cao mòn VB. Trị số mòn VB đƣợc đo trong mặt cắt theo phƣơng vuông góc với lƣỡi cắt từ lƣỡi cắt thực tế đến điểm mòn tƣơng ứng. Hình 2.30 Mòn mặt sau dao phay ngón Mòn mặt sau (VB): Sự mất mát của các hạt dọc theo lƣỡi cắt, đó là, trong giao mặt sau và mặt trƣớc, đƣợc quan sát và đo trên mặt sau của lƣỡi cắt dao phay ngón. b) Mài mòn theo mặt trước. Trong quá trình cắt, do phoi trƣợt, trên mặt trƣớc hình thành một trung tâm áp lực cách lƣỡi cắt một khoảng nào đó trên mặt trƣớc bị mòn theo dạng lƣỡi liềm. Vết lõm 65 Hình 2.31 Mòn mặt trước dao phay ngón lƣỡi liềm đó trên mặt trƣớc do vật liệu dụng cụ bị tróc theo phoi trong quá trình chuyển động. Vết lõm lƣỡi liềm thƣờng xảy ra dọc theo lƣỡi cắt và đƣợc đánh giá bởi chiều rộng B, chiều sâu ap và khoảng cách từ lƣỡi dao đến rãnh KT đo theo mặt trƣớc hình 2.31. Mài mòn theo mặt trƣớc thƣờng xảy ra khi cắt các loại vật liệu dẻo với chiều dày cắt lớn (a > 0,6 mm). Trong trƣờng hợp đó nhiệt cắt ở mặt trƣớc cao hơn ở mặt sau. c) Mòn đồng thời mặt trước và mặt sau. Dụng cụ bị mòn mặt trƣớc và mặt sau tạo thành lƣỡi cắt mới. Chiều rộng vát trên mặt trƣớc giảm dần từ hai phía do đó độ bền lƣỡi cắt giảm. Trƣờng hợp này thƣờng gặp khi gia công vật liệu dẻo với chiều dày cắt a = (0,1 ÷ 0,5) mm [60]. Hình 2.32 Mòn cả mặt trước và mặt sau dao d) Mòn tù lưỡi cắt. Ở dạng này dụng cụ bị mòn dọc theo lƣỡi cắt, tạo thành dạng cung hình trụ. Bán kính  của cung đó đƣợc đo trong bề mặt vuông góc với lƣỡi cắt. Dạng mòn này thƣờng gặp khi gia công các loại vật liệu có tính dẫn nhiệt kém, đặc biệt khi gia công các chất dẻo. Do nhiệt cắt tập trung ở mũi dao nên dao bị tù nhanh trong quá trình gia công[34].  Hình 2.33 Mòn tù lưỡi cắt dao phay ngón 2.4.4. Chỉ tiêu đánh giá mòn của dụng cụ cắt Trong các dạng mài mòn trên thì mài mòn theo mặt sau (VB) là quan trọng nhất vì khi gia công mặt sau luôn tiếp xúc với bề mặt gia công do đó mòn mặt sau sẽ làm ảnh hƣởng trực tiếp đến độ chính xác kích thƣớc và chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia công, mặt khác mòn mặt sau cũng dễ xác định vì có thể dùng các loại dụng cụ đo quang học để kiểm tra. Vì vậy chiều cao mài mòn mặt sau VB đƣợc dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá lƣợng mài mòn. Lƣợng mài mòn cho phép [VB] đƣợc xác định phụ thuộc vào yêu cầu độ bóng và độ chính xác của chi tiết gia công. Qúa trình mài mòn dụng cụ cắt theo thời gian cũng gần giống nhƣ quá trình mài mòn của chi tiết máy khi làm việc [34].  Giai đoạn vùng AB lƣỡi cắt của dụng cụ cắt mòn nhanh (mòn ban đầu ). Lƣợng mòn ban đầu mặt sau VB = 0,05–0,1 mm.  Giai đoạn vùng BC, giai đoạn mòn bình thƣờng lƣợng mòn mặt sau không đổi và gia tăng dần. Khu vực này bắt đầu lƣợng mòn từ 0,05-0,6 mm trở đi. Hình 2.34 Lượng mòn mặt sau liên quan đến thời gian và tốc độ cắt khác nhau[34]  Vùng CD là vùng lƣợng mòn tăng rất cao, khi vùng này xẩy ra cần phải thay thế dụng cụ mới hoặc mài lại dụng cụ trƣớc khi xảy ra hiện tƣợng vỡ dụng cụ. 66 2.4.5 Các thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới lƣợng mòn dụng cụ cắt khi phay a) Ảnh hưởng của tốc độ cắt (v) Tool life at different hex (ap 10) Tốc độ cắt có ảnh hƣởng rất- Uddeholm lớn đến mòn củaHidụng cắt 03.22), và độ nhám bề mặt Material Impax Hard cụ (CMC 380 HB Dia 12mm Plura - R216.24-12050CAK26P 1620 140,0 ae 0.5 hex 0.02 120,0 ae 0.5 hex 0.04 bềnlife(phút) Tuổi Tool (min) ae 1.0 hex 0.02 ae 1.0 hex 0.04 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0 100 200 300 400 Tốc độ cắt v(m/phút) 500 600 Cutting speed (m/min) Hình 2.35 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard(CMC 03.22), 380HB[38] Khi gia công thép các bon ở tốc độ cắt thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp kim loại không đều. Vì vậy độ nhám bề mặt thấp nhƣng dụng cụ cắt sẽ mòn ít hơn, độ bền cao hơn. Khi tăng tốc độ cắt lên khoảng 20-30 m/phút thì nhiệt cắt và lực cắt đều tăng gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trƣớc và mặt sau của dao kim loại bị chảy dẻo. Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trƣớc và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao. Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công. Nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại bị phá huỷ, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi (lẹo dao biến mất ứng với tốc độ cắt trong khoảng 30-60 m/phút). Với tốc độ cắt lớn (lớn hơn 60 m/phút) thì lẹo dao không hình thành đƣợc nên dao sẽ bị mòn nhanh hơn hay tuổi bền dao thấp đi độ nhám bề mặt gia công giảm. b) Ảnh hưởng của lượng chạy dao S. Lƣợng chạy dao ngoài ảnh hƣởng mang tính chất hình học còn ảnh hƣởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công làm cho độ nhám và độ mòn dụng cụ thay đổi[7,8]. Tuy vậy, theo nghiên cứu của hãng dụng cụ cắt SandVik [38] cho thấy ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao khi gia công vật liệu CMC 03.22 độ cứng HB380 tới tuổi bền dụng cụ cắt dao phay ngón lớp phủ Cooltop nhƣ hình 2.37. Qua đồ thị cho thấy lƣợng chạy dao càng tăng tuổi bền dụng cụ cắt càng nhỏ hay mòn càng lớn. Tuy vậy, đƣờng ảnh hƣởng không phải tăng tuyến tính vẫn có giá trị cho tuổi bền dụng cụ cắt cao nhất. Để xác định thông số chế độ cắt tối ƣu tuổi bền dụng cụ tăng, điều này tùy thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu gia công cụ thể… mà giá trị này khác nhau. Đây là bài toán các nhà máy sản xuất mong muốn đƣợc giải quyết vì ảnh hƣởng đến chất lƣợng chi tiết gia công và chi phi gia công đặc biệt đối với gia công cao tốc dụng cụ cắt có giá thành khá cao. 67 Qua đó cho thấy vấn đề xác định đƣợc thông số chế độ cắt tối ƣu là hết sức quan trọng để tăng tuổi bền dụng cụ cắt hay giảm mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công đảm bảo chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công. ae0.5mm (ae/Dc=4%) 225 Tool life min Tuổi bền (phút) 200 175 fz 0.05 fz 0.075 150 fz0.1 125 100 75 50 25 0 125 150 175 200 225 (Vc) m/min TốcCutting độ cắtspeed (m/phút) Hình 2.36 Ảnh hưởng lượng chạy dao đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard (CMC 03.22), 380HB[38] c) Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t. Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt đến mòn dao không mạnh nhƣ tốc độ cắt và lƣợng chạy dao. Tuy nhiên, nếu chiều sâu cắt quá lớn dẫn đến rung động trong quá trình cắt tăng lên, do đó độ nhám bề mặt tăng dao dễ vỡ và mòn nhanh. Ngƣợc lại, chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm cho dao bị trƣợt trên bề mặt gia công và xảy ra hiện tƣợng cắt không liên tục do đó lại làm tăng độ nhám bề mặt. Hiện tƣợng gây trƣợt dao thƣờng ứng với giá trị của chiều sâu cắt trong khoảng 0,01-0,02 mm[38] ae0.5mm (ae/Dc=4%) 225 bền TuổiTool (phút) life min 200 175 fz 0.05 fz 0.075 150 fz0.1 ap=10mm ar=0,5mm 125 100 (ar/Dc=4%) 75 50 25 0 125 150 175 ae1mm (ae/Dc=8%) 200 fz 0.05 fz 0.075 200 Tool life min Tuổi bền (phút) 225 Cutting speed (Vc) m/min 225 175 fz0.1 150 125 ap=10mm ar=1,0mm 100 75 50 (ar/Dc=8%) 25 0 125 150 175 200 Cutting speed (Vc) m/min 225 Tốc độ cắt (m/phút) Hình 2.37 Ảnh hưởng chiều sâu cắt ar đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard(CMC 03.22), 380HB[38] 68 2.5 Kết luận chƣơng 2 Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng trong quá trình phay cao tốc cho thấy chế độ cắt là một trong các yếu tố ảnh hƣởng lớn đến lực cắt, độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt và rung động trong quá trình phay. Kết quả nghiên cứu và phân tích thông số cơ bản đặc trƣng của động lực học gia công khi sử dụng dao phay ngón liền khối răng xoắn trong phay cao tốc là cơ sở cho việc khảo sát và xây dựng mô hình xác định mối quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ với lực cắt, nhám bề mặt, rung động và mòn dao. Trên cơ sở đó cho phép xây dựng, lập qui trình nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng mô hình toán học ảnh hƣởng chế độ cắt đến thông số đặc trƣng trong quá trình gia công (Lực cắt, rung động, nhám bề mặt và mòn dao) khi phay cao tốc biên dạng bằng dao phay ngón liền khối. 69 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC 3.1 Mô hình thực nghiệm 3.1.1 Phân tích và thiết kế mô hình thực nghiệm Xem xét và phân tích kỹ thực hiện thiết kế mô hình thực nghiệm. Sự xem xét bao gồm lựa chọn các điều kiện cắt, ý tƣởng thí nghiệm đƣợc sử dụng để tiến hành các thí nghiệm, thiết kế và lắp đặt đồ gá sử dụng để định vị và kẹp chặt trên lực kế và hệ thống thu thập dữ liệu sử dụng để thu thập các thông số giá trị lực cắt và phổ lực cắt trong quá trình gia công. Vị trí đặt gia tốc kế và hệ thống thu thập dữ liệu về tần số, biên độ rung động và phổ tần số rung động trong quá trình gia công cắt gọt. Thí nghiệm bao gồm búa và gia tốc kế để phân tích và xác định hàm đáp ứng tần số của dụng cụ cắt, của cơ hệ phôi và đồ gá. Xét điều kiện liên quan đến quá trình gia công thí nghiệm, lựa chọn điều kiện cắt để thực nghiệm. Trong nghiên cứu này điều kiện cắt của quá trình gia công biên dạng bằng dao phay ngón giới hạn bởi sự thay đổi 3 thông số chế độ cắt: Tốc độ vòng quay trục chính (v/phút), lƣợng chạy dao f (mm/phút) và chiều sâu cắt ar(mm). Một phần của các thông số cắt khác đƣợc cố định trong quá trình khảo sát bao gồm chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục ap, thông số hình học dụng cụ cắt, góc xoắn của lƣỡi cắt , số răng của dụng cụ cắt N và đƣờng kính dao cắt. Dụng cụ cắt đƣợc sử dụng thí nghiệm là dao phay ngón liền khối sử dụng trong phay cao tốc của hãng Sandvik. Mô tả thực nghiệm cắt là dao phay ngón nhƣ Đầu máy gia công Đầu máy gia công Phôi Phôi Bàn máy Bàn máy b) a) Đầu máy gia công Đầu máy gia công Phôi Phôi Bàn máy Bàn máy d) c) a) b) c) d) Hình 3.1 Mô tả tóm tắt thí nghiệm Dụng cụ cắt dừng khoảng 3 giây đạt tốc độ thí nghiệm Dung cụ cắt tiếp cận với tốc độ tiến dao trước khi cắt Cắt phôi thực nghiệm Dụng cụ dịch chuyển quá phần cắt với tốc độ tiến dao thực nghiệm 70 thể hiện trong hình 3.1. Máy công cụ đƣợc sử dụng thí nghiệm là máy phay cao tốc Super MC500 của Đài Loan, đồ gá và thiết bị đo gắn cố định lên bàn máy. Với mỗi lần thí nghiệm tốc độ quay của trục chính dừng một vài giây để đạt đƣợc tốc độ theo bảng thí nghiệm thì mới tiếp cận và gia công thí nghiệm. Dụng cụ cắt di chuyển khoảng chạy tới và khoảng chạy quá khi cắt thực nghiệm để không ảnh hƣởng đến dữ liệu đƣợc thu thập nhƣ hình 3.1. Trƣớc mỗi thí nghiệm bề mặt của phôi đƣợc gia công (mặt cạnh), đƣợc làm sạch, sử dụng dụng cụ cắt khác để đảm bảo dụng cụ thí nghiệm đảm bảo đúng yêu cầu. Đồ gá đã đƣợc lắp lên lực kế và gá đặt lực kế lên bàn máy. Trong quá trình lắp ghép, bề mặt giữa các bộ phận khác nhau phải đƣợc làm sạch để đảm bảo không có bụi và mảnh vỡ không rơi vào bề mặt gá kẹp và lắp ghép. Chú ý khi gá lực kế và phôi lên bàn máy sử dụng đồng hồ so đảm bảo độ chính xác rà song song theo phƣơng điều khiển dịch chuyển của trục X, Y. Đồng hồ so đảm bảo độ chính xác để quá trình rà đạt đƣợc yêu cầu thí nghiệm. Đồng hồ so đƣợc sử dụng để xác định chính xác vị trí yêu cầu của phôi và lực kế có sai số cho phép 10μm hình 3.2. Quá trình này thực hiện không tốt sẽ ảnh hƣớng đến kết quả đo và khả năng thu thập dữ liệu kết quả đo không chính xác. Hình 3.2 Rà độ song song của đồ gá và thiết bị đo đảm bảo độ chính xác Trên cơ sở phân tích và yêu cầu cần thiết trong thực nghiệm tác giả đã tính toán và Hình 3.3 Mô hình thực nghiệm 71 xây dựng mô hình thí nghiệm để thực nghiệm nhƣ hình 3.3 với các thông số xác định đƣợc đo và đánh giá đồng thời trên cùng một mô hình thực nghiệm. Sau khi tiến hành gá đặt đồ gá, thiết bị đo lực và phôi xong tiến hành gắn cảm biến gia tốc 3 chiều lên đồ gá (chú ý hƣớng của gia tốc kế theo hệ trục tọa độ của máy), sau đó kết nối lực kế và gia tốc kế với thiết bị thu thập dữ liệu, máy tính và phần mềm xử lý tín hiệu. Sau đó thử nghiệm mức độ ổn định và thu thập dữ liệu chính xác theo các tiêu chuẩn các hãng sản xuất thiết bị đƣa ra. Sau khi thiết bị thí nghiệm đảm bảo ổn định và chính xác tiến hành lập chƣơng trình thực nghiệm và cắt thử đánh giá trƣớc khi tiến hành thí nghiệm. Chuẩn bị chƣơng trình với các thông số chế độ cắt đƣợc lựa chọn theo phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm. 3.1.2 Máy, dụng cụ cắt, vật tƣ và thiết bị đo a) Máy phay CNC cao tốc HS Super MC500, tốc độ quay trục chính: 100÷30000(v/phút), công suất trục chính 15KW, tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1÷30000(mm/phút), tốc độ chạy không lớn nhất: 48000(mm/phút). Hành trình dịch chuyển của bàn máy: XxYxZ=500x400x300(mm) hình 3.4. Hình 3.4 Hình ảnh máy HS Super MC500 b) Phôi thực nghiệm Phôi sử dụng để thí nghiệm là vật liệu thép C45 tiêu chuẩn, thành phần thép C45: Cacbon(C): 0.42% – 0.48%, Silic(Si): 0.15% – 0.35%, Mangan (Mn): 0.6% – 0.9%, Photpho(P): 0.050% Max, Lƣu huỳnh (S) 0.035% Max. Khối lƣợng riêng: 7700-8030 kg/m3, Nhiệt độ nóng chảy: 15200C, mô đun đàn hồi: E = 190-210 Gpa, giới hạn độ bền Hình 3.5 Hình ảnh phôi thực nghiệm kéo: 569 Mpa, giới hạn chảy: 343 Mpa, hệ số poison: 0,27-0,30, độ cứng: 160-240 HB. Nhiệt luyện:Ủ hoàn toàn: 800-8500C, thƣờng hóa: 840-8800C, tôi (trong nƣớc hoặc dầu tùy theo kích thƣớc): 820-8600C, Ram:550-6600C. Phôi thí nghiệm có kích thƣớc 70x70x40mm và 150x100x60mm. c) Dụng cụ cắt thực nghiệm Cắt đƣợc thép có độ cứng 19- 48 HRC. Đƣờng kính dao (D) = đƣờng kính chuôi = 20 mm. Số lƣỡi cắt : 4. Tổng chiều dài : 62 mm. Lớp phủ Cooltop ( TiAlN - Titan Nhôm Nito). Góc nghiêng Helix: 35 độ. Theo khuyến cáo của nhà sản xuất dụng cụ giới hạn của 72 lƣợng chạy dao không vƣợt quá 4000 mm/phút. Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính không vƣợt quá 0,05*20=1mm. Tốc độ cắt tối đa của dụng cụ cắt 595 m/phút. Hình 3.6 Dụng cụ cắt sử dụng thực nghiệm của hãng Sandvik khuyến cáo d) Đồ gá Đồ gá sử dụng trong thí nghiệm, khi thiết kế đảm bảo gá đặt đạt đƣợc độ cứng vững trong quá trình cắt. Mẫu thí nghiệm đƣợc gá đặt lên đồ gá đảm bảo 6 bậc tự do, tính toán lực kẹp phôi đảm bảo gia công thí nghiệm, gá đặt lên thiết bị đo lực đảm bảo yêu cầu của thiết bị đo lực và yêu cầu kỹ thuật. Đảm bảo quá trình gá lắp nhanh, chính xác trong thí nghiệm đã xây Hình 3.7 Bản vẽ lắp và phân rã 3D của đồ gá thí nghiệm dựng và chế tạo đồ gá cho quá trình thí nghiệm gồm có các chi tiết hình 3.7 e) Thiết bị đo lực cắt Thiết bị đo lực cắt 3 thành phần của hãng Kisler- Thụy Sỹ, sử dụng cảm biến đo lực 9257BKisler. Dải đo lực (Fx=1500N, Fy=1500N, Fz=5000N). Độ nhạy của cảm biến theo phƣơng X,Y: 7,39 pC/N, phƣơng Z: 3,72 pC/N. Thiết bị chuyển đổi tín hiệu A/D và thu thập vào máy tính sử dụng phần mềm DASYlab 10.0. 73 Hình 3.8 Thiết bị đo lực cắt f) Thiết bị đo rung động Mô đun thu thập dữ liệu LAN-XI có 4 đầu vào và 2 đầu ra tần số tới 51,2 kHz của hãng Bruel&Kjaer Đan mạch. Mô đun phân tích PULSE FFT 7770, 1-3 kênh, PULSE FFT Analysis của hãng Bruel&Kjaer Đan Mạch. Cảm biến gia tốc 3 phƣơng Triaxial DeltaTron Accelerometer with TEDS Type 4525-B-001 của hãng Bruel&Kjaer Đan mạch. g) Thiết bị đo độ nhám Thiết bị đo chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt chi tiết gia công sử dụng thiết bị đo độ nhám bề mặt chuyên dùng SV-2100 của Mitutoyo của Nhật Bản tại Trung tâm Việt Nhật- Trƣờng Đại học công nghiệp Hà Nội. - Màn hình LCD màu hiển thị, các thông số đo đƣợc Ra, Rz, Rt, Rq, Ry… theo tiêu chuẩn ISO, JIS, ANSI, DIN - Độ chính xác đo đƣợc theo chiều dài là 0,15m/100mm - Tốc độ dịch chuyển đo (0,02-5mm/s), độ phân giải là (0,01m/800m, 0,001m/80m, 0,0001m/8m). Hình 3.9 Thiết bị đo rung động Hình 3.10 Thiết bị đo độ nhám h) Thiết bị đo mòn dao Xác định lƣợng mòn mặt sau của dao phay ngón bằng thiết bị đo Profile Projecter V-12BNIKON DIGITAL PROTRACTOR độ phóng đại 100 lần độ chính xác 0.001mm có thể xoay các góc độ khác nhau (Thiết bị đo tại trung tâm HaUI-Foxconn trƣờng ĐHCN Hà Nội). Hành trình đo: Trục X:100mm, Trục Y: 100mm, Trục Z: 100mm. Máy có thể đo chi tiết có khối lƣợng tối đa 5kg. 3.1.3 Thí nghiệm và phân tích xử lý kết quả a) Mục đính của thí nghiệm Hình 3.11 Thiết bị đo mòn dụng cụ V-12B của NIKON Trong quá trình gia công có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công, tuổi thọ dụng cụ cắt, năng suất cắt. Tuy vậy, trong nghiên cứu chỉ xét tới những yếu tố kiểm soát đƣợc và ảnh hƣởng chính tới quá trình gia công còn các thông số khác coi là điều kiện biên hay tín hiệu nhiễu. Khi phay biên dạng sử dụng dao phay ngón liền khối các đại lƣợng đánh giá trong quá trình cắt và sau quá trình cắt: Lực cắt, độ nhám bề mặt, rung động, lƣợng mòn dao. Các đại lƣợng này phụ thuộc chủ yếu vào thống số chế độ cắt: vận tốc cắt, lƣợng chạy dao, chiều sâu cắt của dao còn bề rộng (chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục) đƣợc cố định. Mục đích của thí nghiệm đánh giá mức độ ảnh hƣởng của chế độ cắt đến lực cắt, độ nhám bề mặt, rung động và mòn dao trong quá trình gia công phay cao tốc biên dạng bằng 74 dao phay ngón liền khối. Và xác định hàm toán học ảnh hƣởng các thống chế độ cắt tới lực cắt(Fx, y, z), độ nhám bề mặt (Ra), biên độ rung động (A), lƣợng mòn mặt sau (VB). Hàm toán học quan hệ thông số đầu ra với thông số ảnh hƣởng chính và dễ kiểm soát là chế độ cắt. Lực cắt trong quá trình gia công có dạng: F=f(v,f,ar), biên độ rung động có dạng: A=f(v,f,ar), độ nhám bề mặt gia công có dạng: Ra=f(v,f,ar), lƣợng mòn phụ thuộc chế độ cắt và thời gian gia công VB=f(v,f,ar,). b) Xác định thông số đầu vào trong thực nghiệm Đề tài ứng dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm phân tích phƣơng sai (ANOVA) để xây dựng và đánh giá hàm quy hoạch thực nghiệm. Qua nghiên cứu lý thuyết về quá trình cắt và các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình cắt, đồng thời dựa trên khả năng cắt gọt của dao, công suất của máy thì khi thí nghiệm để xác định ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt, lực cắt, rung động và mòn dao trong gia công phay cao tốc. Giá trị giới hạn miền tốc độ nghiên cứu đối với gia công vật liệu thép C45 của dụng cụ cắt dao phay ngón liền khối đƣờng kính D=20mm với số răng 4 của hãng Sandvik khuyến cáo đối với ngƣời sử dụng [38]. - Vận tốc cắt v trên máy phay cao tốc nằm trong khoảng: 370÷595 m/phút - Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính ar: 0.1÷0.95 mm - Bƣớc tiến f nằm trong khoảng: 2357÷3790 mm/phút. Theo quy hoạch thực nghiệm ta chọn miền nghiên cứu thực nghiệm là: Vmax=595 m/phút; fmax=3790 mm/phút; amax=0,95 mm Vmin=370 m/phút; fmin=2357 mm/phút; amin=0,1mm Nhƣ lý thuyết trong chƣơng 2 cho thấy chế độ cắt ảnh hƣởng rất lớn đến độ nhám bề mặt, lực cắt, rung động và mòn dao trong quá trình gia công. Nghiên cứu ảnh hƣởng đồng thời của thông số tốc độ cắt (v), lƣợng chạy dao (f), và chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính (ar) tuân theo hàm số mũ (hàm phi tuyến) [35] và có dạng nhƣ sau: Hàm độ nhám bề mặt có dạng :Ra=C.vk.fl.arm ; Hàm quan hệ lực cắt có dạng :Fx=C1.vk1.fl1.arm1, Fy=C2.vk2.fl2.arm2, Fz=C3.vk3.fl3.arm3; Hàm quan hệ biên độ rung động có dạng: A=C4.vk4.fl4.arm4; Hàm quan hệ lƣợng mòn mặt sau của dao: VB=C5.vk5.fl5.arm5n5. Kết quả tính toán các giá trị trong bảng 3.1 Bảng 3.1 Giá trị các yếu tố biến thiên trong thực nghiệm Yếu tố X1 X2 X3 Mức trên 6,3886 8,2401 -0,05129 Mức dƣới 5,9135 7,7622 -2,30259 Mức cơ sở 6,1510 8,0011 -1,1769 Khoảng biến thiên 0,2375 0,2390 1,1256 Chuyển các biến từ biến tự nhiên sang biến mã hóa không thứ nguyên. Với thí nghiệm đầu vào là ba yếu tố gồm; tốc độ cắt v, lƣợng chạy dao f, chiều sâu cắt ar , theo quy hoạch thực nghiệm ta sẽ thực nghiệm với 8 thí nghiệm trong đó có 8 thí nghiệm ở 8 đỉnh đơn hình và 3 thí nghiệm ở trung tâm (cơ sở) ta có thông số quy hoạch thực nghiệm với dao phay ngón liền khối đƣờng kính D=20mm với số răng căt Z=4 nhƣ bảng 3.2. 75 Bảng 3.2:Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào Biến mức mã hóa Tốc độ v,(m/phút) Thứ tự X1 X2 X3 cắt Lượng chạy dao f(mm/phút) Chiều sâu cắt theo phương hướng kính ar(mm) 1 -1 -1 -1 370 2357 0,1 2 +1 -1 -1 595 2357 0,1 3 -1 +1 -1 370 3790 0,1 4 +1 +1 -1 595 3790 0,1 5 -1 -1 +1 370 2357 0,95 6 +1 -1 +1 595 2357 0,95 7 -1 +1 +1 370 3790 0,95 8 +1 +1 +1 595 3790 0,95 9 0 0 0 495 3153 0,6 10 0 0 0 495 3153 0,6 11 0 0 0 495 3153 0,6 3.2 Kết quả đo thực nghiệm và xử lý kết quả 3.2.1 Thực nghiệm đo kết quả lực cắt và xây dựng mô hình toán học lực cắt phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. a) Thực nghiệm đo lực cắt Thực hiện quá trình thí nghiệm và đo lực cắt thu đƣợc kết quả trong bảng 3.3. Bảng 3.3 Kết quả đo lực cắt 3 thành phần Fx,Fy,Fz Tốc độ cắt v,(m/phút) Lượng chạy dao f(mm/phút) Chiều sâu cắt theo phương hướng kính ar(mm) Lực cắt Fx (N) Lực cắt Fy (N) Lực cắt Fz (N) 128,91 214,9 25,41 Biến mức mã hóa Thứ tự X1 X2 1 -1 2 3 X3 -1 -1 370 2357 0,1 +1 -1 -1 595 2357 0,1 97,57 172,26 15,46 -1 +1 -1 370 3790 0,1 148,44 272,68 26,52 4 +1 +1 -1 595 3790 0,1 104,57 212,69 22,54 5 -1 -1 +1 370 2357 0,95 397,34 799,43 131,96 6 +1 -1 +1 595 2357 0,95 347,99 618,07 89,22 7 -1 +1 +1 370 3790 0,95 485,5 831,5 173,16 8 +1 +1 +1 595 3790 0,95 367,64 653,19 98,23 9 0 0 0 495 3153 0,6 296,1 511,85 90,7 10 0 0 0 495 3153 0,6 296,9 513,63 90,8 11 0 0 0 495 3153 0,6 296,72 514,63 90,56 Qua mô hình nghiên cứu tiến hành thí nghiệm với v, f, a r thay đổi, chiều sâu cắt dọc trục ap =10 mm không thay đổi. 76 b) Mô hình lực cắt phụ thuộc vào chế độ cắt Mô hình toán học lực cắt khi gia công dao phay ngón khi gia công phay cao tốc trong giới hạn của các thông số cũng nhƣ các phƣơng pháp gia công truyền thống đƣợc miêu tả chung đã đƣợc phân tích ở chƣơng 2 có dạng phi tuyến nhƣ sau: Fx=C1.vk1.fz11.arm1, Fy=C2.vk2.fl2.arm2, Fz=C3.vk3.fl3.arm3 (3.1) Trong đó: Fx, Fy, Fz: lực cắt tƣơng ứng theo các phƣơng X, Y, Z; v: tốc độ cắt (m/phút), f: lƣợng chạy dao (mm/phút), ar: chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính (mm). C1, k1, l1, m1, C2, k2, l2, m2, C3, k3, l3, m3, : hệ số đƣợc xác định trong quá trình thực nghiệm. Để xác định hằng số và số mũ của phƣơng trình, mô hình toán học này đƣợc tuyến tính hóa bằng hàm logarit và phƣơng trình đƣợc viết lại nhƣ sau: lnFx  ln C 1  k 1 . ln v  l1 ln f  m 1 . ln a r (3.2) lnF y  ln C 2  k 2 . ln v  l 2 ln f  m 2 . ln a r (3.3) lnFz  ln C 3  k 3 . ln v  l 3 ln f  m 3 . ln a r (3.4) Và mô hình tuyến tính của phƣơng trình có dạng nhƣ sau: y1=b01 +b11.x1 +b21.x2 + b31.x3 (3.5) y2=b02 +b12.x1 +b22.x2 + b32.x3 (3.6) y3=b03 +b13.x1 +b23.x2 + b33.x3 (3.7) Bài toán trở thành xác định hàm hồi quy thực nghiệm thực hiện 11 thí nghiệm với 8 thí nghiệm ở lân cận 2 bên và 3 thí nghiệm tại điểm tâm đƣợc kết quả nhƣ trong bảng 3.4. Bảng 3.4 Bảng kết quả tính toán Logarit lực cắt theo 3 phương X,Y,Z Biến mức mã hóa Thứ tự Tốc độ cắt v,(m/ phút) Lượng chạy dao fz(mm/p hút) Chiều sâu cắt theo phương hướng kính ar(mm) Lực cắt Fx (N) Lực cắt Fy (N) Lực cắt Fz (N) Ln(v) Ln (f) Ln(ar) Ln(Fx) Ln(Fy) Ln(Fz) X1 X2 X3 1 -1 -1 -1 370 2357 0,1 128,91 214,9 25,41 5,91350 7,76514 -2,30259 4,85911 5,37017 3,23514 2 +1 -1 -1 595 2357 0,1 97,57 172,26 15,46 6,38856 7,76514 -2,30259 4,58057 5,14900 2,73826 3 -1 +1 -1 370 3790 0,1 148,44 272,68 26,52 5,91350 8,24012 -2,30259 5,00018 5,60830 3,27790 4 +1 +1 -1 595 3790 0,1 104,57 212,69 22,54 6,38856 8,24012 -2,30259 4,64986 5,35984 3,11529 5 -1 -1 +1 370 2357 0,95 397,34 799,43 131,96 5,91350 7,76514 -0,05129 5,98479 6,68390 4,88250 6 +1 -1 +1 595 2357 0,95 347,99 618,07 89,22 6,38856 7,76514 -0,05129 5,85217 6,42660 4,49111 7 -1 +1 +1 370 3790 0,95 485,5 831,5 173,16 5,91350 8,24012 -0,05129 6,18518 6,72323 5,15422 8 +1 +1 +1 595 3790 0,95 367,64 653,19 98,23 6,38856 8,24012 -0,05129 5,90710 6,48187 4,58731 9 0 0 0 495 3153 0,6 296,1 511,85 90,7 6,20456 8,05611 -0,51083 5,69070 6,23803 4,50756 10 0 0 0 495 3153 0,6 296,9 513,63 90,8 6,20456 8,05611 -0,51083 5,69340 6,24150 4,50866 11 0 0 0 495 3153 0,6 296,72 514,63 90,56 6,20456 8,05611 -0,51083 5,69279 6,24345 4,50601 Ứng dụng phần mềm Excel sử dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) tính toán và đánh giá hàm hồi quy thực nghiệm. 77 Bảng 3.5 Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phương pháp ANOVA ảnh hưởng của v,f,ar đến lực cắt theo phương x (Fx) Regression Statistics Multiple R 0,987860295 R Square Adjusted Square 0,985725168 R 0,983893097 Standard Error 0,045020821 Observations 11 ANOVA Df SS MS F Significance F Regression 3 3,3048 1,1016 543,497109 1,18718E-08 Residual 7 0,01419 0,002027 Total 10 3,31899 Coefficients Standard Error t Stat P-value Lower 95% Upper 95% Lower 95,0% Upper 95,0% Intercept 7,490523586 0,67048 11,17185 1,026E-05 5,905086069 9,0759611 5,480451632 9,500595539 X Variable 1 -0,55326353 0,0666 -8,307584 7,1581E-05 -0,710741376 -0,3957857 -0,75291933 0,353607737 X Variable 2 0,238912613 0,06661 3,586764 0,00889547 0,081406122 0,3964191 0,039220493 0,438604733 X Variable 3 0,533985076 0,01353 39,47835 1,7426E-09 0,502001117 0,56596903 0,493434719 0,574535433 Theo phân tích phƣơng sai (ANOVA) : Phân tích phƣơng sai sẽ phân nguồn các biến thiên tổng thể giữa các quan sát Y thành biến thiên do hồi quy về X và các biến thiên dôi hay chƣa giải thích đƣợc. Vì vậy ta có biểu thức: Tổng biến thiên quanh Trung bình = Biến thiên giải thích do mô hình hồi quy + Biến thiên dôi Theo cách kí hiệu ANOVA, chúng ta có thể viết tƣơng đƣơng: SSTO = SSR + SSE hoặc ∑ ̅ ∑ ̂ ∑ ̅ ̂ ; SSTO liên kết với n -1 bậc tự do. Đối với SSR, có bốn tham số (b0, b1, b2,và b3 ) trong mô hình, nhƣng ràng buộc ∑ ̂ ̅ làm mất đi 1 bậc tự do, do đó cuối cùng nó có 3 bậc tự do. Đối với SSE, có n số dôi (ei), tuy nhiên, 4 bậc tự do bị mất do bốn ràng buộc lên các ei liên kết với việc ƣớc lƣợng các tham số hệ số biến từ hệ 4 phƣơng trình. Chúng ta có thể tập hợp những dữ liệu này trong bảng 3.6 nhƣ sau: Bảng 3.6 Thông số phân tích ANOVA Nguồn Df SS MS Hồi quy 3 ∑ ̂ ̅ MSR = SSR / 3 Số dôi n-4 ∑ ̂ MSE = SSE / (n-4) Tổng n-1 ∑ 78 ̅ Hệ số xác định đƣợc xác định nhƣ sau: ∑ ̂ ∑ ̅ (3.8) Trong phần thực nghiệm các giá trị số tƣơng ứng cho phân tích là: y=7,4905-0,5533.x1+0,2389.x2+0,534.x3 (3.9) Theo bảng phân tích ANOVA ta có: Trong trƣờng hợp này, tổng các bình phƣơng quanh trung bình là ∑ ̅ và tổng các bình phƣơng "giải thích" bằng phƣơng trình hồi quy là ∑ ̂ ̅ còn lại một tổng các bình phƣơng dôi là ∑ ̂ . Do đó, tỉ lệ của tổng biến thiên của y quy cho mô hình là 3,30 / 3,32 = 0,9794 hoặc 97,94%. Theo phân tích phƣơng sai R Square=0,986 cho thấy hàm hồi quy thực nghiệm phù hợp với thực tế khảo sát hay hàm có độ tin cậy cao. Kiểm định tiêu chuẩn F theo phần mềm tính toán bảng 3.5 ta có F=543,5 giá trị này so sánh ở mức ý nghĩa =0,05 với 95% của phân bố F có 3 và 7 bậc tự do tƣơng ứng. Mà, giá trị lý thuyết F0,95; 3; 7 = 4,35 ta thấy F > giá trị lý thuyết F. Vì vậy, có đủ cơ sở để nói rằng ít nhất một trong các hệ số hồi quy từng phần là khác 0 và cho thấy mức ý nghĩa thông kê cao. Hàm lực cắt theo phƣơng X (Fx) phụ thuộc vào v,f,ar. Fx=1791.v-0,5533.f0,2389 .ar0,5346 (3.10) Tƣơng tự ứng dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) xác định đƣợc hàm lực cắt theo các phƣơng Y (Fy) và lực cắt theo phƣơng Z (Fz) phụ thuộc vào v, f, ar. (3.11) Fy=2163.v-0,5279.f0,2678 .ar0,5260 -0,8292 0,4368 0,7617 (3.12) F =639.v .f .a z r Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v,f,ar với Fz Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v,f,ar với Fx Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v,f,ar với Fy 79 Theo đồ thị mối quan hệ chế độ cắt và ta có thể nhận xét nhƣ sau: Qua đồ thị nhƣ hình 3.12, 3.13, 3.14 ta thấy nếu tăng chiều sâu cắt (ar) ảnh hƣởng mạnh tới tăng của lực cắt trong quá trình gia công, mức độ ảnh hƣởng của tốc độ cắt (v) và lƣợng chạy dao (f) nhỏ hơn. Qua đồ thị cho thấy lực cắt theo phƣơng Y có giá trị lơn hơn theo phƣơng X và phƣơng Z. Trong bài toán khảo sát, dự đoán và tối ƣu quá trình gia công biên dạng bằng dao phay ngón liền khối có thể sử dụng lực cắt theo phƣơng Y để giám sát quá trình gia công đảm bảo chất lƣợng, rung động, mòn dao...Trên cơ sở các thành phần lực cắt Fx, Fy, Fz tác động lên dụng cắt trong quá trình gia công. Thành phần lực cắt Fx và Fy gây ra trục dao phay biến dạng và bị võng trong quá trình gia công, lực tổng hợp Fxy của hai thành phần Fx và Fy đƣợc xác định nhƣ sau: Fxy  Fx 2  F y 2 Từ bảng 3.3 tính toán xác định giá trị lực Fxy nhƣ bảng 3.7 sau: Bảng 3.7 Bảng kết quả tính toán Logarit lực cắt Fxy Biến mức mã hóa Thứ tự Tốc độ cắt v,(m/ phút) Lượng chạy dao fz(mm/p hút) Chiều sâu cắt theo phương hướng kính ar(mm) Lực cắt Fx (N) Lực cắt Fy (N) Lực cắt Fxy (N) Ln(v) Ln (f) Ln(ar) Ln(Fxy) X1 X2 X3 1 -1 -1 -1 370 2357 0,1 128,91 214,9 250,60 5,91350 7,76514 -2,30259 5,52385 2 +1 -1 -1 595 2357 0,1 97,57 172,26 197,97 6,38856 7,76514 -2,30259 5,28813 3 -1 +1 -1 370 3790 0,1 148,44 272,68 310,47 5,91350 8,24012 -2,30259 5,73807 4 +1 +1 -1 595 3790 0,1 104,57 212,69 237,01 6,38856 8,24012 -2,30259 5,46809 5 -1 -1 +1 370 2357 0,95 397,34 799,43 892,73 5,91350 7,76514 -0,05129 6,79428 6 +1 -1 +1 595 2357 0,95 347,99 618,07 709,30 6,38856 7,76514 -0,05129 6,56428 7 -1 +1 +1 370 3790 0,95 485,5 831,5 962,86 5,91350 8,24012 -0,05129 6,86991 8 +1 +1 +1 595 3790 0,95 367,64 653,19 749,54 6,38856 8,24012 -0,05129 6,61947 9 0 0 0 495 3153 0,6 296,1 511,85 591,33 6,20456 8,05611 -0,51083 6,38237 10 0 0 0 495 3153 0,6 296,9 513,63 593,27 6,20456 8,05611 -0,51083 6,38564 11 0 0 0 495 3153 0,6 296,72 514,63 594,04 6,20456 8,05611 -0,51083 6,38695 Tƣơng tự ứng dụng phần mềm Excel sử dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) tính toán và đánh giá hàm hồi quy thực nghiệm khi đó ta có đƣợc hàm Fxy cho kết quả phân tích phƣơng sai R Square=0,994 cho thấy hàm hồi quy thực nghiệm phù hợp với thực tế khảo sát hay hàm có độ tin cậy cao nhƣ bảng 3.8 Bảng 3.8 Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phương pháp ANOVA ảnh hưởng của v,f,ar đến tổng hợp lực Fxy Regression Statistics of ANOVA Multiple R 0,997222524 R Square 0,994452762 Adjusted R Square 0,992075374 Standard Error 0,050734708 Observations 11 Df SS MS F Significance F Regression 3 3,2301 1,076699 418,296421 2,9536E-08 Residual 7 0,01802 0,002574 Total 10 3,24812 80 Qua kết quả quy hoạch thực nghiệm và phân tích hàm hồi quy thực nghiệm Fxy phụ thuộc vào v, f, ar. (3.13)  0 ,5345 0 , 2608 0 ,5277 Fxy  2735, 2.v .f .a r 3.2.2 Thực nghiệm đo kết quả độ nhám bề mặt và xây dựng mô hình toán học nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. a) Thực nghiệm đo độ nhám bề mặt Thực hiện quá trình thí nghiệm và đo kiểm ta đƣợc kết quả trong bảng 3.9. Bảng 3.9 Kết quả đo độ nhám bề mặt Thứ tự Biến mức mã hóa Tốc độ cắt v,(m/phút) Lượng chạy dao f(mm/phút) Chiều sâu cắt theo phương hướng kính ar(mm) Độ nhám bề mặt Ra (m) X1 X2 X3 1 -1 -1 -1 370 2357 0,1 0,209 2 +1 -1 -1 595 2357 0,1 0,145 3 -1 +1 -1 370 3790 0,1 0,357 4 +1 +1 -1 595 3790 0,1 0,314 5 -1 -1 +1 370 2357 0,95 0,338 6 +1 -1 +1 595 2357 0,95 0,308 7 -1 +1 +1 370 3790 0,95 0,386 8 +1 +1 +1 595 3790 0,95 0,291 9 0 0 0 495 3153 0,6 0,241 10 0 0 0 495 3153 0,6 0,242 11 0 0 0 495 3153 0,6 0,245 Qua mô hình nghiên cứu tiến hành thí nghiệm với v, f, a r thay đổi, chiều sâu cắt dọc trục ap =10(mm) không thay đổi. b) Mô hình nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt Mô hình toán học nhám bề mặt khi gia công dao phay ngón khi gia công phay cao tốc trong giới hạn của các thông số cũng nhƣ các phƣơng pháp gia công truyền thống đƣợc miêu tả chung đã đƣợc phân tích ở chƣơng 2 có dạng nhƣ sau: Ra=C.vk.fl.arm (3.14) Trong đó: Ra: Độ nhám bề mặt ; v: tốc độ cắt (m/phút), f: lƣợng chạy dao (mm/ph), ar: chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính (mm). C, k, l, m : hệ số đƣợc xác định trong quá trình thực nghiệm. Để xác định hằng số và số mũ của phƣơng trình, mô hình toán học này đƣợc tuyến tính hóa bằng hàm logarit và phƣơng trình đƣợc viết lại nhƣ sau: lnR a  ln C  k . ln v  l ln f  m . ln a r (3.15) Và mô hình tuyến tính của phƣơng trình có dạng nhƣ sau: y=b0 +b1.x1 +b2.x2 + b3.x3 81 (3.16) Bài toán trở thành xác định hàm hồi quy thực nghiệm thực hiện 11 thí nghiệm với 8 thí nghiệm ở lân cận 2 bên và 3 thí nghiệm tại điểm tâm đƣợc kết quả nhƣ trong bảng 3.10. Bảng 3.10 Bảng kết quả tính Logarit Tốc độ cắt v,(m/phút) Lượng chạy dao f(mm/ph út) Chiều sâu cắt theo phương hướng kính ar(mm) Biến mức mã hóa Thứ tự Độ nhám bề mặt Ra Ln(v) Ln (f) Ln(ar) 0,389 5,91350 7,76514 -2,30259 -0,944175935 0,325 6,38856 7,76514 -2,30259 -1,123930097 0,1 0,537 5,91350 8,24012 -2,30259 -0,621757184 3790 0,1 0,494 6,38856 8,24012 -2,30259 -0,705219762 2357 0,95 0,518 5,91350 7,76514 -0,05129 -0,657780037 595 2357 0,95 0,488 6,38856 7,76514 -0,05129 -0,717439873 370 3790 0,95 0,566 5,91350 8,24012 -0,05129 -0,569161201 +1 595 3790 0,95 0,471 6,38856 8,24012 -0,05129 -0,752897185 0 0 495 3153 0,6 0,421 6,20456 8,05611 -0,51083 -0,865122445 0 0 495 3153 0,6 0,422 6,20456 8,05611 -0,51083 -0,862749965 0 0 495 3153 0,6 0,425 6,20456 8,05611 -0,51083 -0,85566611 X1 X2 X3 1 -1 -1 -1 370 2357 0,1 2 +1 -1 -1 595 2357 0,1 3 -1 +1 -1 370 3790 4 +1 +1 -1 595 5 -1 -1 +1 370 6 +1 -1 +1 7 -1 +1 +1 8 +1 +1 9 0 10 0 11 0 Ln(Ra) (m) Ứng dụng phần mềm Excel sử dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) tính toán và đánh giá hàm hồi quy thực nghiệm. Bảng 3.11 Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phương pháp ANOVA ảnh hưởng của v,f,ar đến độ nhám bề mặt (Ra) Regression Statistics Multiple R 0,956340479 R Square 0,937205092 Adjusted R Square 0,388644172 Standard Error 0,125808478 Observations 11 ANOVA Df SS MS F Significance F Regression 3 0,148101838 0,049367279 5,119028745 0,007349575 Residual 7 0,110794412 0,015827773 Total 10 0,25889625 Coefficients Standard Error t Stat P-value Lower 95% Upper 95% Lower 95,0% Upper 95,0% Intercept -1,937080761 1,872516072 -1,034480179 0,335321521 -6,364877676 2,490716154 -7,550793253 3,676631731 X Variable 1 -0,302270348 0,186072584 -1,624475464 0,14830254 -0,742262093 0,137721398 -0,860106943 0,255566248 X Variable 2 0,382423871 0,186106481 2,054865951 0,078961233 -0,057648027 0,82249577 -0,175514345 0,940362088 X Variable 3 0,057248255 0,035951295 1,592383661 0,155326056 -0,027763049 0,142259559 -0,050531986 0,165028496 Theo bảng phân tích ANOVA ta có hàm hồi quy y=-1,937- 0,3023.x1+0,3824.x2+0,0572.x3 (3.17) Tƣơng tự phần về lực cắt cho thấy theo phân tích phƣơng sai R Square=0.94 cho thấy hàm hồi quy thực nghiệm phù hợp với thực tế khảo sát hay hàm có độ tin cậy cao. Kiểm 82 định tiêu chuẩn F theo phần mềm tính toán bảng 3.9 ta có F=5.12 giá trị này so sánh ở mức ý nghĩa =0,05 với 95% của phân bố F có 3 và 7 bậc tự do tƣơng ứng. Mà, giá trị lý thuyết F0,95; 3; 7 = 4,35 ta thấy F > giá trị lý thuyết F. Vì vậy, có đủ cơ sở để nói rằng ít nhất một trong các hệ số hồi quy từng phần là khác 0 và cho thấy mức ý nghĩa thông kê cao. Vậy ta có hàm độ nhám bề mặt phụ thuộc vào thông số chế độ cắt nhƣ sau: Ra=0,1441.v-0,3023.f0,3824 .ar0,0572 (3.18) Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v,f,ar với độ nhám bề mặt Ra Qua đồ thị cho thấy tốc độ cắt v là yếu tố ảnh hƣởng lớn đến độ nhám bề mặt và vận tốc càng lớn thì độ nhám bề mặt càng giảm mạnh. Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính ar là yếu tố ảnh hƣởng vừa đến độ nhám bề mặt trong quá trình gia công. Lƣợng chạy dao ảnh hƣởng tích cực đến độ nhám bề mặt. 3.2.3 Thực nghiệm đo kết quả rung động và xây dựng mô hình toán học rung động phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. a) Thực nghiệm phân tích hàm đáp ứng tần số bằng Modal testing. Là quá trình xác định các đặc tính động học của một hệ thống thông qua các tần số riêng, các hệ số tắt dần và các mode shape rồi sử dụng các đặc tính đó để xây dựng các mô hình toán học. Các mô hình toán học này đƣợc gọi là các mô hình modal của hệ thống và thông tin của các đặc tính đƣợc gọi là thông số modal (dữ liệu modal). Phân tích modal đƣợc chia là hai loại chính:  Phân tích modal lý thuyết  Phân tích modal thực nghiệm – modal testing Các bƣớc thực hiện modal testing  Bƣớc 1: Mô hình hóa kết cấu  Bƣớc 2: Kích thích và đo đáp ứng  Bƣớc 3: Phân tích kết quả để xác định các thông số modal Trong phần thực nghiệm phân tích Modal sử dụng phƣơng pháp phân tích modal thực nghiệm trƣớc khi thực hiện phải thực hiện kiểm tra nhằm đảm bảo các đáp ứng thu 83 đƣợc là chính xác để tránh lãng phí thời gian phân tích một bộ dữ liệu đáp ứng sai. Việc kiểm tra đƣợc thực hiện đơn giản ngay trên đồ thị đáp ứng thu đƣợc hoặc các đồ thị xây dựng từ đồ thị thu đƣợc.  Kiểm tra tiệm cận dƣới (tần số thấp ωω0)  Kiểm tra sự phù hợp của cộng hƣởng lồi và cộng hƣởng lõm (giữa hai cộng hƣởng lồi phải có một cộng hƣởng lõm, hình dạng cộng hƣởng lồi và cộng hƣởng lõm là giống nhau)  Kiểm tra dạng cộng hƣởng (hình dạng bộ khung tổng thể của hàm đáp ứng tần số): các đỉnh cộng hƣởng phải tăng dần hoặc giảm dần  Kiểm tra qua đồ thị Nyquist: mỗi đỉnh cộng hƣởng phải tạo ra đƣợc một phần của đƣờng tròn Nyquist Trong phần nghiên cứu tác giả sử dụng phƣơng pháp phân tích modal trên miền tần số, trong phƣơng pháp này sử dụng phƣơng pháp chọn đỉnh phân tích đáp ứng tần số. Xác định đƣợc tần số riêng và biên độ dao động riêng của hệ để đánh giá động lực học trong quá trình gia công. Đánh giá tần số riêng, lựa chọn đỉnh cao nhất của đồ thị đáp ứng, ǀα r(ω)ǀmax khi ωr = ωpeak. Sau đó đánh giá sự tắt dần, lựa chọn hai điểm nửa công suất ω a và ωb tƣơng ứng với điểm có biên độ  m ax , từ đó ta có hệ số giảm chấn của hệ đƣợc xác định nhƣ sau: 2 b  a 2 r  4 2 2 r  b  a 2 r (3.19) Trên cơ sở phân tích đáp ứng tần số tiến hành thực nghiệm theo sơ đồ thực nghiệm hình 3.16. Thực hiện gá dụng cụ có đƣờng kính dao (D) = đƣờng kính chuôi = 20 mm. Số lƣỡi cắt : 4. Chiều dài đoạn làm việc tối đa cho phép: 15 mm. Tổng chiều dài : 62 mm. Lớp phủ Cooltop ( TiAlN - Titan Nhôm Nito). Góc nghiêng Helix : 35 độ, gá dụng cụ có chiều dài công xôn 25mm. Hình 3.16 Sơ đồ phân tích thực nghiệm đáp ứng tần số hệ dụng cụ gia công Sử dụng phép phân tích modal để xác định tần số dao động riêng của dụng cụ cắt sử dụng trong mô hình thí nghiệm. Các tần số này sẽ lẫn vào phổ rung động đo đƣợc khi 84 tiến hành gia công. Việc này cho phép loại bỏ những tần số ngoại lai (nếu có) trong phổ đo rung động của quá trình cắt gọt. Ta sử dụng búa (Hammer) gõ lên dao phay nhằm đo dao động riêng của hệ khi gá dụng cụ cắt lên máy dƣới tác dụng từ búa bằng một cảm biến gia tốc. Hình 3.17 Giao diện phân tích Modal testing Qua quá trình thực nghiệm thu đƣợc kết quả hiện thị và dữ liệu kết quả đo hình 3.18. Qua đó chúng ta xác định đƣợc tần số riêng của hệ gá dụng cụ cắt. Với kết quả này khi phân tích trƣờng hợp rung động có lẫn tần số riêng. Đây là cơ sở để phân tích và kiểm Hình 3.18 Kết quả phân tích Modal testing soát hiện tƣợng cộng hƣởng gây ra mất ổn định trong quá trình gia công. b) Xây dựng mô hình toán học ảnh hưởng chế độ cắt đến rung động Qua mô hình nghiên cứu tiến hành thí nghiệm với v, f, a r thay đổi, chiều sâu cắt dọc trục ap =10(mm) không thay đổi hình 3.1. Rung động xảy ra trong quá trình gia công với tốc độ cắt v=595m/phút, lƣợng chạy dao f=2375mm/phút. Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính ar =0,1mm. Qua kết quả đo đƣợc cho thấy tại thời điểm bắt đầu vào cắt đối với khi phay biên dạng bằng phƣơng pháp phay thuận có biên độ rung động lớn đây là hiện tƣợng rung động riêng, điều này phù hợp với lý thuyết và phân tích rung động . 85 Hình 3.19 Kết quả đo rung động v=595 m/phút, f=2375 mm/phút, ar =0,1mm Mô hình toán học ảnh hƣởng của chế độ cắt đến rung động trong quá trình gia công phay cao tốc bằng dao phay ngòn liền khối, mô hình toán học tổng quát nhƣ sau: Ax=C5.vk4.fl4.arm4, Ay=C6.vk5.fl5.arm5 (3.20) Trong đó: Ax, Ay: biên độ rung động ứng theo các phƣơng X, Y; v: tốc độ cắt (m/phút), f: lƣợng chạy dao (mm/phút), ar: chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính (mm). C4, k4, l4, m4, C5, k5, l5, m5: hệ số đƣợc xác định trong quá trình thực nghiệm. Để xác định hằng số và số mũ của phƣơng trình, mô hình toán học này đƣợc tuyến tính hóa bằng hàm logarit và phƣơng trình đƣợc viết lại nhƣ sau: (3.21) ln A  ln C  k . ln v  l ln f  m . ln a x 4 4 4 4 r (3.22) lnA y  ln C 5  k 5 . ln v  l 5 ln f  m 5 . ln a r Và mô hình tuyến tính của phƣơng trình có dạng nhƣ sau: y4=b04 +b14.x1 +b24.x2 + b34.x3 (3.23) y5=b05 +b15.x1 +b25.x2 + b35.x3 (3.24) Bài toán trở thành xác định hàm hồi quy thực nghiệm thực hiện 11 thí nghiệm, 3 thí nghiệm tại điểm tâm đƣợc kết quả nhƣ trong bảng 3.12. Bảng 3.12 Bảng kết quả đo và tính Logarit biên độ rung động theo phương X,Y Biến mức mã hóa Tốc độ cắt v(m/phút) Thứ tự Lƣợng chạy dao f(mm/phút) Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính ar(mm) Biên độ rung động Ln(v) Ln (f) Ln(ar) Ln(Ax) Ln(Ay) 0,653 5,91350 7,76514 -2,30259 -0,45099 -0,42618 0,675 6,38856 7,76514 -2,30259 -0,42618 -0,39304 0,69 0,702 5,91350 8,24012 -2,30259 -0,37106 -0,35382 0,1 0,652 0,672 6,38856 8,24012 -2,30259 -0,42771 -0,39750 2357 0,95 1,46 1,48 5,91350 7,76514 -0,05129 0,37844 0,39204 595 2357 0,95 1,37 1,42 6,38856 7,76514 -0,05129 0,31481 0,35066 1 370 3790 0,95 1,5 1,62 5,91350 8,24012 -0,05129 0,40547 0,48243 1 1 595 3790 0,95 1,42 1,43 6,38856 8,24012 -0,05129 0,35066 0,35767 0 0 0 495 3153 0,6 1,22 1,37 6,20456 8,05611 -0,51083 0,19885 0,31481 10 0 0 0 495 3153 0,6 1,22 1,37 6,20456 8,05611 -0,51083 0,19885 0,31481 11 0 0 0 495 3153 0,6 1,23 1,375 6,20456 8,05611 -0,51083 0,20701 0,31845 X1 X2 X3 1 -1 -1 -1 370 2357 0,1 0,637 2 1 -1 -1 595 2357 0,1 0,653 3 -1 1 -1 370 3790 0,1 4 1 1 -1 595 3790 5 -1 -1 1 370 6 1 -1 1 7 -1 1 8 1 9 Ax 86 Ay Ứng dụng phần mềm Excel sử dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) tính toán và đánh giá hàm hồi quy thực nghiệm. Bảng 3.13 Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phương pháp ANOVA ảnh hưởng của v,f,ar đến rung động theo phương x (Ax) Regression Statistics of ANOVA Multiple R 0,989 R Square 0,988 Adjusted R Square 0,98714 Standard Error 0,01961 Observations 11 Df SS MS F Significance F Regression 3 1,34157 0,44719 1162,80778 8,3614E-10 Residual 7 0,00269 0,000385 Total 10 1,34426 Theo phân tích phƣơng sai significane F=8.3614E-10 w2) hay lƣợng mòn dao (w1< w2) và là cơ sở ban đầu cho tối ƣu hóa điều khiển thích nghi quá trình phay cao tốc; 3- Mô hình tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa chế độ cắt tác giả mới dừng lại ở ứng dụng cơ bản thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) với các mô hình toán học đƣợc xây dựng từ thực nghiệm. Để triệt để hơn ƣu điểm của thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) cần sử dụng kết hợp với thuật toán mạng nơ ron nhân tạo (ANN) trong tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa chế độ cắt trong quá trình gia công. 125 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO KẾT LUẬN 1. Đã phân tích, tổng hợp và làm rõ đƣợc cơ sở lý thuyết động lực học gia công khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối. 2. Nghiên cứu làm phong phú hơn lý thuyết tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa (SeflOptimzing), ứng dụng thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) của trí tuệ nhân tạo vào lĩnh vực gia công cơ khí. 3. Ứng dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm, phân tích phƣơng sai (ANOVA) của phần mềm Excel đã xây dựng đƣợc mô hình toán học ảnh hƣởng các thông số chế độ cắt đến các thông số đặc trƣng cơ bản trong quá trình phay cao tốc. 4. Đã xây dựng đƣợc mô hình bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc biên dạng bằng dao phay ngón liền khối với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất với các hàm ràng buộc và điều kiện biên. Ứng dụng thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) trong lập trình phần mềm bằng Matlab để giải bài toán tối ƣu. 5. Đã đề xuất đƣợc mô hình và giải bài toán tự tối ƣu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công đảm hàm thích nghi đa mục tiêu (độ nhàm và lƣợng mòn dao) nhỏ nhất. Xây dựng thuật toán và lập trình phần mềm theo ngôn ngữ lập trình của phần mềm Matlab để giải bài toán tự tối ƣu hóa điều chỉnh tốc độ cắt, lƣợng chạy dao thích nghi theo hàm thích nghi hai mục tiêu (độ nhám và lƣợng mòn dao) nhỏ nhất trong quá trình gia công. HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 1. Nghiên cứu, phân tích thông số công nghệ ảnh hƣởng tới sai số hình dáng, vị trí và khả năng biến dạng khi gia công chi tiết thành mỏng. Nghiên cứu ảnh hƣởng thông số chế độ cắt khi phay cao tốc đến độ nhám 3D của bề mặt chi tiết gia công. 2. Xây dựng mô hình nhiệt cắt… và mở rộng thông số đầu vào để quá trình nghiên cứu toàn diện hơn trong gia công cao tốc. 3. Nghiên cứu ảnh hƣởng thông số công nghệ đến tổ chức vật liệu lớp bề mặt chi tiết sau khi gia công cao tốc. 4. Nghiên cứu xây dựng mô hình và ứng dụng kết hợp thuật toán mạng nơ ron nhân tạo (ANN) với thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) trên cơ sở thực nghiệm ảnh hƣởng giữa các thông số: chế độ cắt, độ nhám bề mặt, lƣợng mòn dao, lực cắt, rung động và năng suất cắt để giải bài toán tự tối ƣu hóa chế độ cắt trong quá trình gia công và tiến tới giải bài toán tối ƣu hóa điều khiển thông minh trong quá trình gia công. 5. Nghiên cứu kết nối hệ thống điều khiển máy và kết hợp với đo lƣờng tự động hóa để tự tối ƣu hóa thích nghi trong quá trình gia công giúp tăng năng suất, đảm bảo ổn định và an toàn trong quá trình gia công. 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH Đà CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Trần Ngọc Hiền, Hoàng Tiến Dũng, Nguyễn Xuân Chung, Bùi Tiến Sơn, Phạm Thị Thiều Thoa (2013) Máy công cụ thông minh tự thích nghi với các thay đổi của môi trường sản xuất, Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ III, trang 470-475. 2. Hoang Tien Dung, Nguyen Huy Ninh, Park Hong Seok, Tran Ngoc Hien (2014), A Self-optimizing Control for Intelligent CNC Machine Tools,The 7th AUN/SEEDNet Regional conference in mechanical and manufacturing engineering, trang 141145. 3. Hoang Tien Dung, Nguyen Huy Ninh, Tran Van Dich, Tran Ngoc Hien, Nguyen Thanh Binh (2014) Optimizing cutting conditions in high speed milling using evolution algorithms.The 7th AUN/SEED-Net Regional conference in mechanical and manufacturing engineering, trang 146-150. 4. Hoàng Tiến Dũng, Trần Văn Địch, Nguyễn Huy Ninh, Phạm Thị Thiều Thoa (2014), Ảnh hưởng của chế độ cắt đến rung động khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối, Tạp chí Cơ Khí Việt Nam số 9, trang 94-101. 5. Hoàng Tiến Dũng, Trần Văn Địch, Nguyễn Huy Ninh (2014), Mô hình hóa ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt khi phay cao tốc, Tạp Chí Khoa học và Công nghệTrƣờng ĐH Công Nghiệp Hà Nội, số 24, trang 21-26. 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy (2001), Nguyên lý gia công vật liệu, NXB Khoa học kỹ thuật. [2] Dƣơng Phúc Tý (2001), Luận án tiến sĩ công nghệ chế tạo máy “Xác định chế độ cắt hợp lý để ổn định quá trình gia công phay trên máy phay đứng” [3] Hoàng Việt Hồng (2003), Luận án tiến sĩ công nghệ chế tạo máy “Mô hình hóa quá trình cắt khi phay trên máy phay CNC” [4] Lê Tấn Hùng, Từ Minh Phƣơng, Huỳnh Quyết Thắng (2006), Tác tử- Công nghệ phần mềm hướng tác tử, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [5] Nguyễn Trọng Bình (2003), Tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt, Nxb Giáo dục. [6] Trần Văn Địch, PGS.TS. Nguyễn Trọng Bình, PGS.TS. Nguyễn Thế Đạt, PGS.TS. Nguyễn Viết Tiếp, PGS.TS. Trần Xuân Việt (2006), Công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội. [7] Trần Văn Địch (2004), Công nghệ CNC , NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội. [8] Trần Xuân Việt (2000), Giáo trình công nghệ gia công trên máy điều khiển số, Khoa Cơ Khí – ĐHBKHN. TIẾNG ANH [9] Abimbola M Jubril (2012), A nonlinear weights selection in weighted sum for convex multiobjective optimization, Facta Universitatis ser. Math. Inform. Vol. 27 No 3, 357-372. [10] A. Hasçalık and U. Çaydaş (2008), Optimization of turning parameters for surface roughness and tool life based on the Taguchi method, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 38, pp. 896-903. [11] B. Denkena, H. Henning, Lorenzen LE (2010), Genetics and intelligence: new approaches in production engineering, Prod Engi Res Dev, Vol. 4, pp. 65-73. [12] C. J. Tzeng and Y. K. Yang (2008), Determination of optimal parameters for SKD11 CNC turning process, Materials and Manufacturing Processes, vol. 23, pp. 363-368. [13] C. T. O. N. Su and M. U. C. Chen (1999), Computer-aided optimization of multi-pass turning operations for continuous forms on CNC lathes, IIE transactions, vol. 31, pp. 583596. [14] E. D. Kirby, Z. Zhang, J. C. Chen, and J. Chen (2006), Optimizing surface finish in a turning operation using the Taguchi parameter design method, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 30, pp. 1021-1029. [15] E.J.A. Armarego and R.H. Brown (1969), The Machining of Metals, Prentice-Hall. [16] E. E. K. M. H. Omar (2010), A new proceder for specific cutting force assessment in high-speed end milling, McMaster University (Mechanical Engineering) Hamilton, Ontario. [17] GKING (1998), Handbook of high speed machining. [18] G. Pritschow, KH.Wurst, C. Kircher, M. Seyfarth (2009), Control of reconfigurable machine tools, In: EIMaraghy HA (ed), Changeable and reconfigurable manufacturing systems, Springer, pp.71-100. 128 [19] Herbert Schulz (1999), The history of high speed machining, Institute of Production Engineering and Machine Tools (PTW) Darmstadt University of Technology, Germany. [20] Hua Zuo and Guoli Zhang (2013), Weights Analysis of Multi-objective Programming Problem, Information Processing and Control Institute, North China Electric Power University, Baoding 071003, China. [21] I. M. Dagwa (2009), Surface Roughness Optimization of some Machining Parameters in Turning Operations Using Taguchi Method, Advanced Materials Research, vol. 62, pp.613-620. [22] I. Minis, T. Yanushevsky, R. Tembo, and R. Hocken (1990), Analysis of linear and nonlinear chatter in milling, CIRP Annals, 39:459–462. [23] ISO 8688-1-1989: Tool life testing in milling. [24] J.A. Silva, J.V. Abellán-Nebot, H.R. Siller, F. Guedea-Elizalde (2012), Adaptive control optimisation system for minimising production cost in hard milling operations, Int. J. Computer Integrated Manufacturing. DOI:10.1080/0951192X.2012.749535. [25] Jana Novakova, Lenka Petrkovska, Josef Brychta, Robert Cep, and Lenka Ocenasova (2009), Influence of High Speed Parameters on the Quality of Machined Surface, World Academy of Science, Engineering and Technology 56 274-277. [26] J. Kennedy, R.C Eberhart (1995), Particle Swarm Optimization, Proceedings Of IEEE International Conference on Neural Networks. [27] J. Kopač (2007), High precision machining on high speed machines, Journal. Vol.24 issue 1. [28] JW.Sutherland, PM. Ferreira, RE. DeVor, SG. Kapoor (1988), An integrated approach to machine tool system analysis, design and control, Proc 3rd Int Conf Comp Aid Prod Engr, pp. 429-445. [29] Kar Cheng (2009), Machining Dynamic, Springer. [30] K.E. Parsopoulos, M.N. Vrahatis (2010), Parameter Selection in Particle Swarm Optimization, Proceedings of the 7th Artificial Life and Robotics, v.15 n.4, p.444-449. [31] K. Palanikumar, L. Karunamoorthy, and R. Karthikeyan (2004), Optimizing the machining parameters for minimum surface roughness in turning of GFRP composites using the design of experiments, Cailiao Kexue Yu Jishu(J. Mater. Sci. Technol.)(China), vol. 20, pp. 373-378. [32] K. Shirase, K. Nakamoto, E. Arai, T. Moriwaki (2005), Digital copy millingautonomous milling process control without an NC program, Robot Comput Integr Manuf, Vol. 21, pp. 312–317. [33] L.N. Lospez de Lacalle, A.Lamikiz (2009), Machine tools for high performance machining, Springer Verlag London Limited. [34] L.N. López de Lacalle, A. Lamikiz, J. Fernández de Larrinoa and I. Azkona (2009), Advanced Cutting Tools, Department of Mechanical Engineering,University of the Basque Country, Faculty of Engineering of Bilbao, c/Alameda de Urquijo s/n, E-48013 Bilbao, Spain. [35] L. Turnad GINTA, A.K.M. Nurul AMIN, A.N. Mustafizul KARIM, M. H. ISHTIYAQ (2010), Modeling for Surface Roughness in End-Milling of Titanium Alloy Ti-6AI-4V Using Uncoated WC-Co and PCD Inserts, Department of Manufacturing and Materials Engineering, HUM, Malaysia. 129 [36] L. Wang, R.X.Gao (2006), Condition monitoring and control for intelligent manufacturing, Springer. [37] M. Brezocnik, J. Balic, Z. Brezocnik (2003), Emergence of intelligence in nextgeneration manufacturing systems, Robot Comput Integr Manuf, Vol. 19, pp. 55-63. [38] Metal Cutting Technology (2014), Technical Guide of Sandvik. [39] N. Baskar, P. Asokan, R. Saravanan, G. Prabhaharan (2005), Optimization of machining parameters for milling operations using non-conventional methods, Int J Adv Manuf Technol, Vol. 25, pp.1078–1088. [40] Nof SY (2009), Handbook of automation, Springer. [41] P. Benardos and G. Vosniakos (2002), Prediction of surface roughness in CNC face milling using neural networks and Taguchi's design of experiments, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, vol. 18, pp. 343-354. [42] R.A. Ekanayake and P. Mathew (2007), An Experimental Investigation of High Speed End Milling, 5th Australasian Congress on Applied Mechanics, ACAM 2007 10-12 December 2007, Brisbane, Australia, pp.1-2. [43] R. C. Eberhart and Y. Shi (2001), Tracking and optimizing dynamic systems with particle swarms, vol. 1, pp, 94-100. [44] R.E. Hohn, R. Sridhar, and G.W. Long (1968), A stability algorithm for a special case of the milling process, ASME Journal of Engineering for Industry, vol. 90:325–329. [45] Ronaal Faassen (2007), Chatter Prodiction and Control for High Speed Milling Modeling and Experiments. University Press Faculities, Eindhoven, the Netherlands. [46] R. Pasko, L. Przybylski, & B. Slodki, High speed machining (HSM) – The effective way of modern cutting, Rafal Pasko Eng., Research assistant.Lucjan Przybylski Prof. Eng., Cracow University of Technology, Production Engineering Institute,Al. Jana Pawla II 37, 31-864 Cracow, Phone +48 12 648 01 30, Fax +48 12 648 20 10. Bogdan Slodki Ph.D Eng., Cracow University of Technology, Production Engineering Institute. [47] R.Venkata Rao (2011), Advanced Modeling and Optimization of Manufacturing Processes, Springer. [48] Sabahudin Ekinović (2003), Some advandtages of high speed machining in aspect of machined surface quality, 3rd Research/Expert Conference with International Participations ”QUALITY” 2003, Zenica, B&H, 13 and 14 November, 2003. [49] S. Atluru, SH. Huang, JP. Snyder (2012), A smart machine supervisory system framework, Int J Adv Manuf Technol, Vol. 58, pp. 563-572. [50] S.Dolinšek, Jnez Kopaˇ(2004), A contribution to the understanding of chip formation mechanism in high-speed cutting of hardened steel, Volumes 157–158, 20 December 2004, Pages 485–490. [51] S.Dolinšek, Jnez Kopaˇ(2006), Mechanism and types of tool wear particularities in advanced cutting materials, Journal, Vol.19 issue 1. [52] Schmitz, Couey, Marsh, Mauntler, Hughes (2009), Runout effects in milling: surface finish, surface location error and stability, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Florida, Gainesville, FL. 130 [53] S. Mekid, P. Pruschek and J. Hernandez (2009), Beyond intelligent manufacturing: a new generation of flexible intelligent NC machines, Mechanism and Machine Theory, Vol.44/466-476. [54] S. Pal, PS Heyns, BH Freyer, NJ Theron, SK Pal (2011), Tool wear monitoring and selection of optimum cutting conditions with progressive tool wear effect and input uncertainties, J Intell Manuf, Vol. 22, pp. 491-504. [55] S. Zhang & J. F. Li & J. Sun & F. Jiang (2010), Tool wear and cutting forces variation in high-speed end-milling Ti-6Al-4V alloy, Springer. [56] S. Zhang & J. F. Li & J. Sun & F. Jiang (2010), Tool wear criterion, tool life, and surface roughness during in high-speed end-milling Ti-6Al-4V alloy, Springer. [57] Technical Guide of Seco. [58] T. Sato, Y. Kakino, H. Saraie (2002), Proposal of the extended system framework of intelligent machine tool, Japan-USA Symp Flex Autom. [59] V. Kauppinen (2003), High speed machining of hard-to-machine materials, 4th International Conference on Metal Cutting and High Speed Machining ICMC, Darmstadt 19th to 21 st 2003. [60] V. Kauppinen, J. Paro (2003), High-Speed Milling - a few examples. Plenary paper, 3rd international conference Research and development in mechanical industry RaDMI 2003. 19-23. September 2003 Herceg Novi, Serbia and Montenegro. [61] V. Tandon, H. El-Mounayri, and H. Kishawy (2002), NC end milling optimization using evolutionary computation, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 42, pp. 595-605. [62] V. V. K. Lakshmi, Dr K Venkata Subbaiah (2012), Modelling and Optimization of Process Parameters during End Milling of Hardened Steel, Vol. 2, International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA). [63] W.A. Kline, R.E. DeVor, and W.J. Zdeblick (1980), A mechanistic model for the force system in end milling with application to machining airframe structures, In: North American Manufacturing Research Conference Proceedings, Dearborn, MI, page 297. Society of Manufacturing Engineers, Vol. XVIII. [64] W. Yang and Y. Tarng (1998), Design optimization of cutting parameters for turning operations based on the Taguchi method, Journal of Materials Processing Technology, vol. 84, pp. 122-129. [65] X. Hu and R. Eberhart (2001), Tracking dynamic system with PSO, Proceeding of workshop on PSO, Purdue School of Engineering and Technology, Indianapolis. [66] YUSUF ALTINTAS (2012), Manufacturing Automation, Cambridge University Press: 32 Avenue of the Americas, New York, NY 10013-2473, USA. [67] Y. Altintas and P. Lee (1996), A general mechanics and dynamics model for helical end mills, CIRP Annals, 45(1):59–64. [68] Y. Koren (1989), Adaptive control systems for machining, Manufacturing Review, Vol.2, 1989, pp.6-15. [69] YS. Tarng, YS. Wang (1994), A new adaptive controller for constant turning force, J Adv Manuf Technol, Vol. 9, pp. 211-216. 131 PHỤC LỤC 1 CHƢƠNG TRÌNH GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƢU VÀ TỰ TỐI ƢU CHẾ ĐỘ CẮT SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƢU HÓA BẦY ĐÀN (PSO) (CHƢƠNG TRÌNH VIẾT BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 2014) function unfeas=Constraint_test(feed,spd,DOC,condi) unfeas=1; % a_feed=2375; % G4 Feed rate mm/rev % b_feed=3790; % G5 Feed rate mm/rev % a_spd=370; % G2 speed m/min % b_spd=595; % G3 speed m/min % a_DOC=0.1; % G6 Depth of cut mm % b_DOC=1; % G7 Depth of cut mm % b_Fc=1400; % G1 N % b_A=2; % G8 % b_y=0.02; % G9 mm %================================= a_feed=condi(4); % G4 Feed rate mm/min b_feed=condi(5); % G5 Feed rate mm/min a_spd=condi(2); % G2 speed m/min b_spd=condi(3); % G3 speed m/min a_DOC=condi(6); % G6 Depth of cut mm b_DOC=condi(7); % G7 Depth of cut mm b_Fc=condi(1); % G1 N b_A=condi(8); % G8 b_y=condi(10); % G9 mm %================================= % out=[Ra;F;y;Fc;A;VB]; temp=Objective_function([spd,feed,DOC]); % Check G1 - Fc if temp(4) > b_Fc unfeas=0; return end % Check G2 + G3 - spd if spd < a_spd || spd > b_spd unfeas=0; return end % Check G4 - G5 if feed < a_feed || feed > b_feed unfeas=0; return end % Check G6 - G7 if DOC < a_DOC || DOC > b_DOC unfeas=0; return end % Check G8 if temp(5) > b_A unfeas=0; return end % Check G9 if temp(3) > b_y unfeas=0; return end end 132 function [ out] =Objective_function(x) %UNTITLED3 Summary of this function goes here % Detailed explanation goes here v=x(1); f=x(2); ar=x(3); E=2*10^7; % F ====================================================================== Fxy=2735.2*v^(-0.5345)*f^0.2608*ar^0.5277; % y ====================================================================== y=0.993*F/E; % Ra ====================================================================== Ra=0.1441*v^(-0.3023)*f^0.3824*ar^0.05725; % Fc ====================================================================== Fc=2163*v^(0.4721)*f^0.2678*ar^0.5260; % A ====================================================================== Axy=1.653*v^(-0.0766)*f^0.0911*ar^0.5277; % VB ===================================================================== VB=0.0174*v^(0.6205)*f^(0.2409)*ar^(0.0823)*t^1.3876; out=[Ra;F;y;Fc;A;VB]; end function [out] =Objective_function_2(x,condi) % UNTITLED3 Summary of this function goes here % Detailed explanation goes here f=x; t=condi(11); v=condi(12); ar=condi(13); VB=0.0174*v^(0.6205)*f^(0.2409)*ar^(0.0823)*t^1.3876; A=w1*Ra/Ra0+w2*VB/VB0; out=[VB,Ra]; end function [Surface_rough,x,Max_inter,kq_opt,spd_pl,Feed_pl,Surface_sf] = PSO(c1,c2,epslon,N,Max_Iter,condi) % UNTITLED Summary of this function goes here % Detailed explanation goes here % Initialization of PSO parameters % Input: Feed, Speed, DOC(Depth of Cut) % Output: Cutting force, Surface Rough % c1=1.49445; % c2=1.49445; % epslon=0.00009; correct(1)=1; % Forming an array of weights which would be used during iteration and % Initialization of positions of agents a_feed=condi(4); % Feed rate mm/rev b_feed=condi(5); % Feed rate mm/rev a_spd=condi(2); % speed m/min b_spd=condi(3); % speed m/min a_DOC=condi(6); % speed m/min b_DOC=condi(7); % Depth of cut mm % a_feed=2000; % G4 Feed rate mm/min % b_feed=4000; % G5 Feed rate mm/min % a_spd=360; % G2 speed m/min % b_spd=600; % G3 speed m/min 133 % a_DOC=0.1; % G6 Depth of cut mm % b_DOC=1; % G7 Depth of cut mm % b_Fc=1400; % G1 N % b_A=2; % G8 m/s^2 % b_VB=500; % G9 % b_y=0.02; % G10 mm % b_w1=0.5; % trong so % b_w2=0.5; % trong so % N=20; % The number of particles D=3; % The dimension of the space of the particles for init_i=1:N x(init_i,1)=a_feed+(b_feed-a_feed)*rand(1,1,1); % feed x(init_i,2)=a_spd+(b_spd-a_spd)*rand(1,1,1); % spd x(init_i,3)=a_DOC+(b_DOC-a_DOC)*rand(1,1,1); % DOC end % Initialization of velocities of agents m=0; n=1; V(:,1)=m+(n-m)*rand(N,1,1); V(:,2)=m+(n-m)*rand(N,1,1); V(:,3)=m+(n-m)*rand(N,1,1); % Evaluating the Objective function for each particle using its position for i=1:N; temp = Objective_function([x(i,2),x(i,1),x(i,3)]); F(i,1,1) =temp(1); end % Obtaining the first minimum of all the randomly defined particles [C,I]=min((F(:,1,1))); % To identify minimum in that group" C" and its position in that column" I" B(1,1,1)=C; % Value of Global min for that iteration XX(1,1,1)=I; % store corresponding inputs of respective global minimum % Storing that position values in the gbest array gbest(1,1,1)=x(I,1,1); gbest(1,2,1)=x(I,2,1); gbest(1,3,1)=x(I,3,1); % Storing location provided by array G for p=1:N for r=1:D G(p,r,1)=gbest(1,r,1); end end % Finding the obj value corresponding to the gbest temp = Objective_function([G(1,2,1), G(1,1,1), G(1,3,1)]); Fbest(1,1,1)=temp(1); % Initializing pbest variable for all the particles which is the particles best position for i=1:N; pbest(i,:,1)=x(i,:,1); end W(1)=0.5+(rand(1)/2); % The new velocities of all the particles V(:,:,2)=W(1)*V(:,:,1)+c1*rand*(pbest(:,:,1)-x(:,:,1))+c2*rand*(G(:,:,1)x(:,:,1)); % The new positions of all the particles x(:,:,2)=x(:,:,1)+V(:,:,2); temp = Objective_function([gbest(1,2,1), gbest(1,1,1), gbest(1,3,1)]); Fb(1,1,1)=temp(1); j=2; 134 ending=0; %%%%%==============*********** Start PSO ***********======================= while ending==0 W(j)=0.4+(rand(1)/2); % Calculation of new positions % Finding the new objective function values for all these new positions of the particles for i=1:N; temp = Objective_function([x(i,2,j), x(i,1,j), x(i,3,j)]); F(i,1,j)=temp(1); end % Constrained part modification for Feasibility Starts [F_g_sort,sort_g_index]=sort(F(:,1,j)); Feas_g=0; i_unconst_g=1; while Feas_g==0 && i_unconst_g[...]... Nam chƣa có nhiều nghiên cứu ảnh hƣởng thông số công nghệ trong gia công phay cao tốc Với sự phát triển ngày càng mạnh về mặt công nghệ gia công cao tốc và đòi hỏi ngày càng khắt khe về chất lƣợng, độ chính xác và khả năng khai thác triệt để, hiệu quả trang thiết bị công nghệ trong lĩnh vực gia công cao tốc Do đó, việc “ Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay cao tốc là vấn đề cần... gia công cao tốc thì các hãng chế tạo dụng cụ cắt Seco, Sandvik theo Jabro về gia công cao tốc đã nghiên cứu và đƣa ra phƣơng pháp cắt, điều kiện cắt khi phay cao tốc khác với phƣơng pháp phay truyền thống dao phay ngón liền khối [57] Qua đó cho thấy đề hoàn thiện hơn trong gia công phay và nghiên cứu động lực học gia công trong phay cao tốc vấn đề nghiên cứu ảnh hƣởng của thông số chế độ cắt: tốc. .. hành nghiên cứu và giải quyết vấn đề sau: Nghiên cứu, phân tích cơ sở lý thuyết các thông số đặc trƣng khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối; Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng mô hình toán học ảnh hƣởng của thông số chế độ cắt đến các thông số đặc trƣng cơ bản của quá trình phay cao tốc; Nghiên cứu, ứng dụng thuật toán tiến hóa giải bài toán tối ƣu hóa và tự tối ƣu chế độ cắt trong quá trình phay. .. định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố sau: Gia công với tốc độ cắt cao - Gia công với tốc độ cắt cao và lƣợng ăn dao cao - Gia công với năng suất cao Lƣợng chạy dao lớn nhất (m/phút) - Phay truyền thống Gia công tốc độ cắt cao (HVM) Gia công tốc độ vòng quay cao( HSM) Tốc độ quay trục chính (v/phút) Hình 1.1 Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công[ 19] Nhiệt độ cắt Dựa trên nghiên cứu về cắt kim... nêu vấn đề nghiên cứu gia công cao tốc Tuy vậy lĩnh vực gia công phay cao tốc chƣa nhiều có đề tài tiến sĩ của tác giả TS Phan Văn Hiếu nghiên cứu “Xác định miền ổn định khi gia công trên máy CNC ba trục tốc độ cao tìm ra biểu đồ quan hệ chiều sâu cắt và tốc độ trục chính (miền ổn định khi phay) Tuy vậy, vấn đề nghiên cứu chế độ cắt tối ƣu để đảm bảo chất lƣợng và thuộc miền ổn định khi gia công tác... chuyển nhanh lên đến 40 m/phút và cao hơn, công suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW [17] Gia công cao tốc là sử dụng tốc độ cắt lớn gấp nhiều lần gia công thông thƣờng Một số ví dụ của tốc độ gia công thông thƣờng và tốc độ cắt trong gia công cao tốc đƣợc thể hiện bảng 1.1 Bảng 1.1 So sánh tốc độ cắt gia công truyền thống và tốc độ cắt cao tốc Vật liệu Độ cứng Gia công truyền HSM vc(thô) (m/phút)... Động cơ dẫn động chạy dao tốc độ cao Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh rất quan trọng cho việc nâng cao năng suất Một máy công cụ với tốc độ tăng tốc/ giảm tốc cao có thể duy trì vùng tốc độ chạy dao không đổi trên hầu hết hành trình cắt Gia công cao tốc yêu cầu các động cơ dẫn động các trục có công suất cao Bộ điều khi n CNC có khả năng đáp ứng đƣợc cho gia công cao tốc Bộ điều khi n CNC phải có khả... toán tiến hóa giải bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc 32 1.10 Kết luận chƣơng 1 Trong chƣơng 1 đã phân tích tổng quát các thông số ảnh hƣởng và mức độ ảnh hƣởng của các thông số trong quá trình gia công cao tốc Đặc biệt là các thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt, lực cắt, rung động và mòn dao là thông số đặc trƣng cơ bản nhất khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối Cho đến... đồng tâm cao và cân bằng tốt trong gia công cao tốc Dao đƣợc làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao [33] 1.7 Đặc điểm và ứng dụng của gia công cao tốc 1.7.1 Đặc điểm của gia công cao tốc  Ƣu điểm của gia công cao tốc So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ƣu điểm nổi bật Nó có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công, tùy trƣờng hợp [47] Một số ƣu... độ cắt và thời gian gia công khi phay biên dạng trên máy phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối - Xây dựng hàm mục tiêu tối ƣu hóa, thiết lập điều kiện biên, miền giới hạn đối với hệ thống công nghệ để giải bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc - Xây dựng phần mềm tính toán chế độ cắt tối ƣu và tự tối ƣu hóa (Self Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công khi xét đến mòn dụng cụ ... dao thông số đặc trƣng phay cao tốc dao phay ngón liền khối Cho đến Việt Nam chƣa có nhiều nghiên cứu ảnh hƣởng thông số công nghệ gia công phay cao tốc Với phát triển ngày mạnh mặt công nghệ. .. gia công cao tốc đòi hỏi ngày khắt khe chất lƣợng, độ xác khả khai thác triệt để, hiệu trang thiết bị công nghệ lĩnh vực gia công cao tốc Do đó, việc “ Nghiên cứu tối ưu hóa số thông số công nghệ. .. [17] Gia công cao tốc sử dụng tốc độ cắt lớn gấp nhiều lần gia công thông thƣờng Một số ví dụ tốc độ gia công thông thƣờng tốc độ cắt gia công cao tốc đƣợc thể bảng 1.1 Bảng 1.1 So sánh tốc độ