NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
Vai trò của phay cao tốc
Trong ngành chế tạo hiện nay, phay cao tốc đóng vai trò quan trọng trong gia công khuôn, ô tô và hàng không nhờ vào khả năng gia công năng suất cao, cho phép bóc tách lượng lớn kim loại trong thời gian ngắn với dụng cụ cắt nhỏ và tốc độ quay lớn Phương pháp này giúp giảm lực cắt và biến dạng nhiệt, cho phép gia công các chi tiết mỏng và phức tạp từ một khối vật liệu duy nhất, thay thế cho việc lắp ráp từ nhiều chi tiết khác Tuy nhiên, trong gia công cơ khí, đến 90% vật liệu phôi ban đầu thường bị loại bỏ Để cải thiện tốc độ sản xuất, cần phải tối ưu hóa tốc độ tách phôi mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt gia công Mối liên hệ giữa phôi và máy công cụ là phức tạp, với tốc độ tách phôi được xác định bởi sự kết hợp giữa tốc độ trục chính, chiều sâu cắt, lượng tiến dao ngang và lượng ăn dao phút.
Ngày nay, nhu cầu thẩm mỹ cao dẫn đến việc sử dụng phay cao tốc để nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất gia công, đặc biệt với các vật liệu mới có độ cứng cao Tuy nhiên, phay cao tốc cũng đặt ra nhiều thách thức cho kỹ thuật viên, bao gồm yêu cầu về hệ thống trục chính phải cân bằng tốt, có độ cứng vững cao và ổn định nhiệt Máy công cụ cần có khả năng hấp thụ rung động và linh hoạt để thích ứng với chuyển động nhanh, đồng thời duy trì tốc độ chạy dao ổn định Lực ly tâm tăng theo cấp số nhân với số vòng quay, do đó, độ đảo của hệ thống gá dao không được vượt quá 0.003mm Hệ thống dẫn động tuyến tính cũng cần nhẹ để đạt hiệu quả cắt cao Bộ điều khiển CNC phải xử lý nhanh chóng, tối ưu hóa quá trình gia công và giảm thiểu thời gian xử lý các khối lệnh, đồng thời có khả năng nội suy cung tròn qua đường cong NURBS.
Tốc độ trục chính n [vòng/phút]
Hình 1.1 : Sự mất cân bằng và rung động khốc liệt ở bạc đạn
Biên độ rung động [mm/s]
Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của rung động đến chất lượng bề mặt trên máy phay cao tốc trên thế giới
Nhiều nghiên cứu toàn cầu về phay cao tốc đã tập trung vào việc nâng cao chất lượng chi tiết gia công và giảm chi phí sản xuất Một trong những vấn đề chính được khám phá là rung động trong quá trình cắt, do các chế độ cắt khác nhau cho từng loại vật liệu Nếu chế độ cắt không hợp lý, rung động thấp có thể dẫn đến bề mặt gia công thô ráp và cần thêm thời gian đánh bóng, trong khi rung động lớn có thể gây hư hỏng chi tiết, gãy dao và làm mòn nhanh chóng các bộ phận máy móc Do đó, nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện để giải quyết hiện tượng này.
Để đảm bảo quá trình cắt không xảy ra rung động, cần lưu trữ các chế độ cắt thích hợp trong hệ thống dữ liệu máy Việc tính toán và xây dựng biểu đồ sóng ổn định là cần thiết để đạt được chế độ cắt tối ưu Thợ máy sử dụng biểu đồ này để xác định các điểm làm việc không rung động với tốc độ tách phoi lớn nhất Tuy nhiên, sau một thời gian làm việc ổn định, các sóng có thể thay đổi do tăng nhiệt độ của trục chính và sự mòn dao, khiến điểm làm việc ban đầu trở nên không ổn định.
Tốc độ trục chính n (v/ph) Hình 1.2 : Biểu đồ sóng ổn định
Rung động Ổn định Chiều sâu cắt ap
Ronald Faassen đã phát triển một hệ thống dự báo và kiểm soát rung động nhằm phát hiện trạng thái rung động ban đầu Hệ thống này cho phép điều chỉnh thông số của quá trình cắt, cụ thể là duy trì chiều sâu cắt trong khi thay đổi tốc độ chạy dao tương ứng với tốc độ trục chính Dưới đây là các giản đồ minh họa quá trình phát hiện và kiểm soát rung động trên máy phay cao tốc cùng với những kết quả đạt được.
Kết quả thực nghiệm cho thấy quá trình kiểm soát rung động ở tốc độ trục chính 29000 v/ph với chiều sâu cắt gia tăng từ 4.0 đến 5.0 mm trong 1.1 giây đã được thực hiện Hình bên trái thể hiện kết quả không có điều chỉnh, trong khi hình bên phải cho thấy hiệu chỉnh đã được áp dụng.
(a) Trạng thái bắt đầu cắt
Trạng thái kết thúc cắt ảnh hưởng lớn đến mòn dụng cụ, nhưng nhiều nghiên cứu chỉ thực hiện trong điều kiện cắt ổn định mà không xem xét rung động M Kayhan và E Budak đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để phân tích tác động của rung động lên tuổi thọ dụng cụ cắt, từ đó làm rõ cơ chế mòn trong điều kiện cắt động học Nghiên cứu này nhằm tăng cường độ cứng cho dụng cụ cắt và máy công cụ, cũng như áp dụng các phương pháp giảm thiểu rung động Kết quả nghiên cứu đã cung cấp những thông tin quý giá cho việc cải thiện hiệu suất cắt.
Thời gian cắt (phút) ảnh hưởng trực tiếp đến độ mòn của dụng cụ cắt trong quá trình phay hợp kim Titan TiAl6V4 Hình 1.7 minh họa mối quan hệ này với các trạng thái (S) ổn định, (C) rung động và (SC) rung động khốc liệt.
Thời gian cắt (Logt) là yếu tố quan trọng trong quá trình phay thép, ảnh hưởng bởi tốc độ cắt và chiều dài dụng cụ cắt Hình 1.8 minh họa mối quan hệ này với chiều dài dụng cụ cắt là 110mm và 120mm Các trạng thái (S) ổn định, (C) rung động và (SC) rung động khốc liệt được thể hiện rõ ràng, cho thấy độ mòn của dụng cụ cắt theo thời gian.
Tốc độ cắt(LogV) Ổn định Rung động Rung động khốc liệt
Chế độ rung động Hình 1.9 : Mối quan hệ giữa tuổi thọ dụng cụ cắt và chế độ rung động trong phay
Kornel F Ehmann và Zhen Lie Zhang đã thực hiện nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ cắt đến tần số rung động của máy công cụ thông qua phương pháp thực nghiệm Kết quả cho thấy chiều sâu cắt có ảnh hưởng lớn nhất và tuyến tính nhất đến tần số rung động, trong khi hầu hết tần số rung động không nhất thiết phải bằng hoặc gần với tần số dao động riêng của máy.
Tuổi thọ dụng cụ cắt(phút)
Tần số rung động (Hz)
Tần số rung động (Hz)
Hình 1.10 : Ảnh hưởng của chế độ cắt đến tần số rung động
Han Huang nghiên cứu mối liên hệ giữa chiều sâu cắt và lực cắt bằng cách đánh giá ảnh hưởng của lực cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và độ mài mòn của dụng cụ Quá trình thực nghiệm được thực hiện trên hợp kim Nitinol nhằm đánh giá đặc tính gia công của hợp kim này trong điều kiện gia công cao tốc Dưới đây là một số biểu đồ nghiên cứu liên quan.
Tần số rung động (Hz)
Hình 1.11 : Biểu đồ ảnh hưởng của các yếu tố đến lực cắt đối với hợp kim Nitinol
(a) Tốc độ cắt (b) Lượng chạy dao (c) Chiều sâu cắt
Hình 1.12 : Biểu đồ ảnh hưởng của các yếu tố đến độ nhấp nhô bề mặt đối với hợp kim Nitinol
(a) Tốc độ cắt (b) Lượng chạy dao (c) Chiều sâu cắt
Sự phát triển nhanh chóng của thông tin và khoa học kỹ thuật, cùng với sự hỗ trợ từ máy tính và các thuật toán tối ưu, đã cho phép con người dự đoán các giá trị quan trọng như lực cắt, chất lượng bề mặt, dao động, chế độ cắt, số vòng quay của trục chính và chiều sâu cắt Các nghiên cứu này đã đưa ra nhiều quan điểm và phương pháp luận toán học khác nhau, giúp các nhà nghiên cứu biểu diễn các hiện tượng phức tạp trong quá trình gia công cắt gọt.
Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của dao động đến chất lượng bề mặt trên máy phay cao tốc ở Việt Nam
Tại Việt Nam, công nghệ phay cao tốc vẫn còn mới mẻ, với chỉ một số ít doanh nghiệp lớn như công ty Lập Phúc, công ty nhựa Duy Tân-Mida, công ty bút bi Thiên Long và công ty nhựa Long Thành dám đầu tư Tuy nhiên, do hạn chế về trình độ và kinh phí, công nghệ này chủ yếu được áp dụng để đáp ứng nhu cầu sản xuất mà chưa có nghiên cứu sâu nhằm cải tiến và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Ngoài ra Thầy Cô, sinh viên , học viên khoa cơ khí trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã nghiên cứu một số vấn đề như :
Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công trên máy phay CNC của Nguyễn Viết Hiển
Nghiên cứu độ ổn định của hệ thống chuyển động điều chỉnh máy
NC của Phạm Văn Lợi
Thiết kế tối ưu kết cấu động học đầu lực nhiều trục chính của Nguyễn Văn Giáp
Nghiên cứu độ cứng vững ảnh hưởng đến độ chính xác khi gia công trên máy CNC
Ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay tốc độ cao của Bùi Chấn Thạnh và còn nhiều đề tài liên quan khác,
Các nghiên cứu hiện tại chưa xem xét tác động của dao động đến chất lượng bề mặt Hơn nữa, chỉ có hai hoặc ba yếu tố được khảo sát liên quan đến chất lượng bề mặt, và các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào máy CNC, trong khi nghiên cứu về máy phay cao tốc còn hạn chế.
Tính cấp thiết của đề tài
Một số doanh nghiệp Việt Nam đã đầu tư vào công nghệ phay cao tốc, một công nghệ mới tại Việt Nam, nhưng gặp khó khăn trong việc chuyển giao và ứng dụng vào sản xuất Do thiếu trình độ và năng lực khai thác, các doanh nghiệp chưa tận dụng hết chức năng của máy, dẫn đến sản phẩm chủ yếu phục vụ thị trường nội địa Tuy nhiên, với sự phát triển này, doanh nghiệp Việt Nam đang dần chiếm lĩnh thị trường thế giới, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp cơ khí trong nước.
Sau khi phân tích các vấn đề được nghiên cứu, em quyết định chọn đề tài
“Nghiên cứu ảnh hưởng của rung động đến chất lượng bề mặt trên máy phay cao tốc”
Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của nghiên cứu là xác định các yếu tố gây ra dao động ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, từ đó tìm hiểu đặc tính của rung động tự kích thích Điều này sẽ làm cơ sở cho việc nghiên cứu tiếp theo về các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển của rung động Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng nhằm tìm ra các giải pháp hạn chế sự phát triển của dao động, đảm bảo quá trình cắt luôn ổn định.
Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt và rung động tự kích thích là cơ sở quan trọng cho việc tối ưu hóa chế độ gia công.
Nội dung nghiên cứu
Tổng quan các tài liệu liên quan đến đề tài
Nghiên cứu các yếu tố gây ra rung động
Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phay cao tốc để tìm ra mức độ ảnh hưởng của các thông số gia công đối với rung động
Thu thập và xử lý dữ liệu theo lý thuyết thống kê
Kết quả xử lý cho thấy đặc tính của rung động tự kích thích có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cắt kim loại Các thông số như tốc độ cắt, độ sâu cắt và vật liệu dao cụ đều tác động đến sự tăng trưởng của rung động này Việc hiểu rõ mối liên hệ giữa các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất cắt và giảm thiểu rung động không mong muốn.
Cách tiếp cận
1.7.1 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
Khi nghiên cứu lý thuyết dùng các phương pháp phân tích, tổng hợp
Khi nghiên cứu thực nghiệm dùng phương pháp cắt thử và phương pháp nghiên cứu quy nạp
Khi xử lý dữ liệu dùng phương pháp bình phương nhỏ nhất
1.7.2 Các công cụ áp dụng
Máy phay cao tốc đặt tại phòng CADCAMCNC thuộc Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Quốc Gia Điều Khiển Số Và Kỹ Thuật Hệ Thống
Máy đo biên dạng và độ nhám tại Phòng Đo Lường thuộc Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Quốc Gia Điều Khiển Số Và Kỹ Thuật Hệ Thống
Các phần mềm xử lý dữ liệu là Eviews5.1, Matlap7.12
GIỚI THIỆU VỀ PHAY CAO TỐC
Định nghĩa về gia công cao tốc
Khái niệm gia công cao tốc, được Carl Salomon giới thiệu vào năm 1931, đề cập đến việc gia công với tốc độ cắt lớn hơn từ 5 đến 10 lần so với phương pháp truyền thống Ông nhận định rằng khi đạt được tốc độ này, nhiệt độ của phoi thoát ra sẽ bắt đầu giảm xuống, mang lại hiệu quả cao hơn trong quá trình gia công.
Gia công cao tốc, theo khái niệm của Salomon, đã đặt nền tảng cho nhiều nghiên cứu sau này Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành chế tạo máy và các công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC và hệ thống CAM, gia công cao tốc ngày càng thu hút sự quan tâm Tuy nhiên, sự phát triển này cũng dẫn đến nhiều rắc rối do tồn tại nhiều quan điểm và định nghĩa khác nhau về gia công cao tốc.
Gia công cao tốc không chỉ đơn thuần là cắt với tốc độ cao, mà còn là một quá trình gia công phức tạp Trong đó, các bước gia công được thực hiện thông qua những phương pháp và thiết bị cụ thể, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác cao.
Gia công cao tốc không chỉ đơn thuần là gia công với tốc độ trục chính cao, mà còn bao gồm nhiều ứng dụng thực hiện với máy có tốc độ bình thường Phương pháp này thường được áp dụng trong gia công tinh thép đã tôi, kết hợp giữa tốc độ cao và lượng ăn dao lớn Dải tốc độ gia công cao tốc có thể thay đổi tùy theo loại vật liệu được sử dụng.
Hình 2.2 : Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu
Tóm lại, gia công cao tốc mang lại tốc độ tách phoi (Material Removal Rate) rất lớn, dẫn đến năng suất tăng đáng kể và chất lượng bề mặt gia công vượt trội so với các phương pháp truyền thống.
Hình 2.3 : Quá trình phay cao tốc
Phay cao tốc hiện nay được sử dụng phổ biến trong gia công cơ khí, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp Phương pháp này đặc trưng bởi tốc độ trục chính cao, vận tốc cắt lớn và tốc độ tách phoi cực lớn, cùng với chiều sâu cắt nhỏ, giúp giảm lực cắt và nhiệt cắt tập trung chủ yếu vào phoi Điều này không chỉ cải thiện chất lượng bề mặt và nâng cao độ chính xác mà còn giảm chi phí và thời gian gia công.
Phay cao tốc là kỹ thuật kết hợp tốc độ trục chính cao với lượng tiến dao gia tăng, tạo ra tốc độ tách phoi lớn và lực phay thấp Kỹ thuật này mang lại chất lượng bề mặt tốt hơn và dung sai chính xác hơn.
Mục đích sử dụng phay cao tốc
Phay cao tốc là phương pháp gia công hiệu quả cho các chi tiết phức tạp, mang lại năng suất và chất lượng bề mặt vượt trội so với các phương pháp gia công truyền thống Nó có khả năng thay thế cho EDM trong gia công khuôn và tối ưu hóa nguyên công, giúp rút ngắn thời gian sản xuất.
1000 𝑐𝑚 3 𝑝ℎ Trong đó: a p : chiều sâu cắt (mm) a e : lượng tiến dao ngang (mm)
S : lượng ăn dao phút (mm/ph)
Q : tốc độ tách phoi (cm 3 /ph)
Ƣu nhƣợc điểm của phay cao tốc
mà giảm chi phí sản suất, nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường, tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm, thể hiện ở những điểm sau đây:
Sản xuất khuôn chỉ trong một lần gá đặt
Nâng cao độ chính xác hình dáng hình học, kích thước của khuôn, giảm nhân công và thời gian phụ
Tối ưu hóa việc sử dụng máy công cụ và nhà xưởng là điều cần thiết thông qua quy trình gia công hiệu quả Để đạt được điều này, việc lập kế hoạch với sự hỗ trợ của hệ thống CAD và lập trình chuyên biệt cho nhà xưởng sản xuất là rất quan trọng.
Thời gian thu hồi vốn nhanh, phục vụ cho việc tái đầu tư, tái sản xuất và đổi mới trang thiết bị
2.3 Ƣu nhƣợc điểm của phay cao tốc
2.3.1 Ƣu điểm của phay cao tốc
– Giảm việc tạo ba via
– Ít gây hư hại bề mặt gia công
– Tốc độ bóc vật liệu cao
Gia công hiệu quả các chi tiết phức tạp và vật liệu có độ cứng trên 50HRC, đồng thời duy trì nhiệt độ của dao và phoi ở mức thấp, giúp gia tăng tuổi thọ của dao.
Hình 2.4 : Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và nhiệt độ cắt (a) Phay cao tốc, lượng chạy dao nhanh hơn tốc độ truyền nhiệt
Trong gia công truyền thống, tốc độ chạy dao chậm hơn tốc độ truyền nhiệt, dẫn đến hiệu suất thấp Ngược lại, phay cao tốc với chiều sâu cắt nhỏ giúp giảm lực hướng kính trên dao và trục chính, đảm bảo an toàn cho vòng bi, vítme và thanh trượt Điều này không chỉ tăng tuổi thọ của dao mà còn giảm nguy cơ rung động, nâng cao hiệu quả gia công.
Hình 2.5 : Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt với công suất của động cơ trục chính là 10Kw, 𝐹 𝑐 = 𝑃 𝑉 𝑐
Vận tốc cắt có ảnh hưởng đáng kể đến áp suất cắt trong quá trình gia công Quy trình gia công hiệu quả đối với các chi tiết nhỏ bao gồm các giai đoạn gia công thô, bán tinh và tinh, với lượng kim loại bị loại bỏ tương đối thấp.
Phay cao tốc mang lại năng suất cao trong gia công tinh, thường đạt độ nhám bề mặt khoảng Ra ~ 0.2 µm Phương pháp này cho phép gia công các chi tiết mỏng bằng cách giảm thiểu thời gian tiếp xúc giữa dao và chi tiết, giúp tránh dao động và biến dạng Để đạt hiệu quả tối ưu, dao phay cần phải có độ cứng vững cao và lưỡi cắt sắc bén.
Trong gia công khuôn, việc áp dụng phay cao tốc giúp giảm số bước gia công, từ đó rút ngắn thời gian gia công và nâng cao năng suất Điều này không chỉ cải thiện hiệu quả sản xuất mà còn tăng cường tính cạnh tranh của doanh nghiệp thông qua các quy trình tối ưu hóa.
Hình 2.8 : Những đổi mới trong gia công khi áp dụng phay cao tốc
(A) Quy trình gia công truyền thống
1 phôi; 2.gia công thô; 3 gia công bán tinh; 4 tôi; 5 gia công bằng điện cực EDM; 6.gia công tinh; 7 đánh bóng
(B) Quy trình gia công tương tự như ở (A) nhưng thay thế giá công bằng điện cực EDM bằng phay cao tốc do đó rút ngắn được một bước
(C) Ứng dụng phay cao tốc trong toàn bộ quy trình gia công (đặc biệt đối với các chi tiết có kích thước nhỏ)
1 phôi được tôi đầu tiên; 2 gia công thô; 3 gia công bán tinh; 4 gia công tinh; 5 đánh bóng
2.3.2 Nhƣợc điểm của phay cao tốc
Khả năng tăng tốc và giảm tốc của trục chính cao, cùng với tốc độ khởi động và dừng nhanh, sẽ làm tăng mức độ ăn mòn của băng trượt, vítme và vòng bi Điều này dẫn đến chi phí bảo trì cao hơn cho thiết bị.
Tốc độ truyền dữ liệu và khả năng giao tiếp trong ngành gia công ngày càng trở nên quan trọng, đòi hỏi trang thiết bị lập trình hiện đại và kiến thức chuyên môn sâu Tuy nhiên, việc tuyển dụng nguồn nhân lực có trình độ tay nghề cao vẫn là một thách thức lớn.
Thời gian thử nghiệm và kiểm tra trước khi gia công là rất quan trọng trong phay tốc độ cao, vì việc dừng khẩn cấp là không khả thi do tốc độ trục chính quá nhanh, dẫn đến hậu quả nghiêm trọng từ các sai sót do con người, phần mềm hoặc phần cứng Để tận dụng tối đa chức năng của máy, cần lập kế hoạch và quy trình gia công chặt chẽ Bên cạnh đó, máy móc cần được che chắn kín để đảm bảo an toàn, đồng thời cần thường xuyên kiểm tra dụng cụ cắt và vítme để tránh hư hỏng do mỏi Việc sử dụng dao phù hợp cho phay tốc độ cao và tuân thủ khuyến cáo của nhà sản xuất là điều cần thiết.
Lĩnh vực áp dụng phay cao tốc
– Phay cao tốc được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực như :
– Chế tạo các chi tiết máy trong ôtô, các thiết bị của máy tính và trong y khoa vì những ngành công nghiệp này liên quan đến nhiều quy trình
– Phay cao tốc còn được ứng dụng trong sản xuất hàng loạt nhỏ
– Phay cao tốc rất thích hợp trong gia công các loại khuôn như
Khuôn đúc: ứng dụng phay cao tốc trong các loại khuôn đúc vừa và nhỏ cho năng suất cao
Hình 2.9 : Các loại khuôn đúc
Khuôn dập thường rất phù hợp với phay cao tốc do hình dạng hình học đơn giản, với chiều lõm không quá lớn và có độ cứng cao, giúp hạn chế tình trạng dễ vỡ.
Khuôn ép nhựa và khuôn thổi rất thích hợp cho phay cao tốc nhờ kích thước nhỏ gọn Việc gia công chỉ cần một lần gá đặt từ nguyên công thô đến nguyên công tinh mang lại tính kinh tế cao.
Hình 2.10 : Một số loại khuôn ép nhựa và khuôn thổi
Phay điện cực bằng đồng hoặc graphit hoá là một trong những ưu điểm nổi bật của phay cao tốc Việc gia công graphit có thể thực hiện hiệu quả bằng các dao phay hợp kim được phủ TiCN hoặc kim cương, mang lại độ chính xác và hiệu suất cao trong quá trình sản xuất.
Mô hình hoá và tạo mẫu nhanh cho khuôn: là lĩnh vực phát triển sớm nhất
Hình 2.11 : Mô hình hoá và tạo mẫu nhanh cho khuôn
NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG TRONG QUÁ TRÌNH CẮT
Các tham số dao động
Dao động là chuyển động của một phần tử hoặc vật thể quanh vị trí cân bằng, hay còn gọi là vị trí quy chiếu Đối với máy quay, vị trí cân bằng này là trạng thái của máy khi chưa hoạt động.
Chuyển động tuần hoàn xảy ra khi một chuyển động tương tự lặp lại hoàn toàn sau mỗi chu kỳ Trong đó, chuyển động điều hòa được xem là dạng đơn giản nhất của chuyển động tuần hoàn.
Dao động thường được diễn tả bằng nhiều cách thức khác nhau như chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc
Xét chuyển động của một ổ trục dưới tác động của một roto không cân bằng
Mô hình hóa sự mất cân bằng có thể được minh họa qua khối lượng tại một điểm trên chu vi của trục, như thể hiện trong hình 3.1(a) Khi trục bắt đầu quay, khối lượng mất cân bằng tạo ra lực ly tâm lên ổ trục, dẫn đến sự chuyển động cưỡng bức của nó Chuyển động này, khi được chiếu lên tọa độ chuyển vị theo thời gian, sẽ có hình dạng tương tự như trong hình 3.1(b), với các điểm từ 1 đến 4 tương ứng với vị trí mà khối lượng mất cân bằng đi qua sau mỗi vòng quay.
Khối l-ợng mất cân bằng
Sau mỗi vòng quay của rôto, chuyển động của ổ trục lặp lại một cách chính xác như trước, minh chứng cho hiện tượng chuyển động tuần hoàn.
Về mặt toán học thì miêu tả chuyển động tuần hoàn bằng phương trình sau:
(t X t x (3.1) Với x – chuyển vị của ổ trục (mm) t – thời gian (s)
X – biên độ chuyển động (mm) ω – tần số vòng (rad/s)
Hình 3.1(b) cho thấy chu kỳ chuyển động – ở đây là một vòng quay của roto là T, nghĩa là chuyển động được lặp lại khi t = T, và có đơn vị là giây (s)
Ngược lại với chu kỳ là tần số f T1, đơn vị đo tần số là Hertz (Hz)
Tần số góc ω được đo bẳng đơn vị rad/s
Biểu thức quan hệ giữa các đại lượng trên: f T
Vận tốc của dao động phản ánh sự thay đổi của chuyển vị theo thời gian, do đó dao động có thể được diễn đạt thông qua đại lượng vận tốc.
3.1.4 Quan hệ giữa các thông số
Dựa trên các phương trình đã phân tích, có thể nhận thấy rằng dạng và chu kỳ dao động của chuyển vị, vận tốc và gia tốc đều tương đồng, nhưng biên độ của từng thông số lại khác nhau Sự khác biệt chủ yếu nằm ở pha của các thông số này, với vận tốc đi trước chuyển vị một góc pha π/2, gia tốc đi trước vận tốc một góc pha π/2, và gia tốc đi trước chuyển vị một góc pha π Hình 3.2 minh họa đồ thị của chuyển vị x(t), vận tốc v(t) và gia tốc a(t) trong cùng một chuyển động.
(a) (b) a) Các vectơ chuyển vị, vận tốc, gia tốc b) Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc Hình 3.2 : Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của cùng một chuyển động
Khái niệm về ổn định và mất ổn định của quá trình cắt
Sau đây là đi ̣nh nghĩa về ổn đi ̣nh đã được khái quát bởi David A Stephenson và John Agapiou:
Mất ổn định trong quá trình cắt xảy ra khi rung động gia tăng, dẫn đến việc dụng cụ cắt có thể rung động với biên độ ngày càng lớn hoặc dần dần di chuyển khỏi vị trí cân bằng cho đến khi đạt đến một giới hạn nhất định.
Quá trình cắt được coi là ổn định khi dụng cụ cắt bị kích thích, dẫn đến việc di chuyển đến một vị trí cân bằng dưới dạng dao động tắt dần hoặc giảm xuống một mức dao động thấp hơn.
Một hệ thống được gọi là mất ổn định tĩnh khi nguyên nhân gây ra rung động là những lực kích thích phụ thuộc vào vị trí.
Một hệ thống được gọi là mất ổn định động lực học khi các lực kích thích gây rung động phụ thuộc vào vận tốc Điều này có thể dẫn đến sự mất ổn định trong hoạt động của hệ thống.
Hình 3.3 : Phân biệt trạng thái ổn định và mất ổn định
Nguyên nhân gây mất ổn định
Rung động là nguyên nhân gây mất ổn định của quá trình cắt Rung động trong quá trình cắt được chia thành:
Rung đô ̣ng cưỡng bức
Rung động cưỡng bức xuất hiện khi một ngoại lực tuần hoàn tác động lên hệ thống máy, dụng cụ, chi tiết theo thời gian Các nguyên nhân gây ra rung động cưỡng bức bao gồm nhiều yếu tố khác nhau.
Dao động cưỡng bức bên ngoài truyền qua móng máy là hiện tượng thường gặp trong thực tế, ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng quá trình cắt hơn là yếu tố kinh tế Nguồn gốc của dao động này có thể là từ máy búa, máy công cụ có chuyển động khứ hồi mà không có các cơ cấu chủ động cân bằng như máy bào, xọc, mài, chuốt, hoặc từ các thiết bị khác như máy nén khí và máy bơm.
Nhiễu trong hệ thống công nghệ thường xuất phát từ các chi tiết quay không cân bằng, bộ truyền động không chính xác hoặc bị mòn, ổ trục chính và sống trượt bị hao mòn Những yếu tố này có thể gây ra tải trọng động khi tăng tốc độ hoặc hãm các bộ phận nặng, cũng như do lực cắt biến đổi khi cắt vào các bề mặt gián đoạn.
Bài toán rung động cưỡng bức được giải nhờ đưa về mô hình tổng quát như hình (3.4) và phương trình vi phân như sau:
Với m - khối lượng hệ thống c - hệ số cản k - độ cứng của hệ x - chuyển vị của phần tử dao động
Nguyên nhân gây rung động
Rung động cưỡng bức Rung động riêng Tự rung k m x
C x - vận tốc của phần tử dao động x
- gia tốc của phần tử dao động
Mô hình dao động cưỡng bức cho thấy rằng hệ thống công nghệ sẽ rung động theo tần số của lực kích thích Hiện tượng rung động sẽ gia tăng với biên độ lớn khi tần số kích thích gần bằng tần số dao động riêng của hệ thống, dẫn đến hiện tượng cộng hưởng dao động.
Các rung động cưỡng bức thường có thể được giảm thiểu hoặc loại bỏ bằng cách khử nguồn gây kích thích hoặc điều chỉnh tần số kích thích Việc thay đổi tần số sao cho không gần với tần số riêng của hệ thống sẽ giúp ngăn ngừa tình trạng mất ổn định.
Rung động riêng của hệ thống công nghệ là hiện tượng phát sinh do va đập, chẳng hạn như khi đóng ly hợp hoặc khi bắt đầu cắt Rung động này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của thiết bị.
Với m - khối lượng hệ thống c - hệ số cản k - độ cứng của hệ x - chuyển vị của phần tử dao động x - vận tốc của phần tử dao động x
- gia tốc của phần tử dao động
Hình 3.5 : Mô hình dao động tự do
Tự rung là hiện tượng rung động phát sinh trong quá trình cắt, không phải do ngoại lực mà do năng lượng nội tại của quá trình này Khi quá trình cắt dừng lại, hiện tượng tự rung cũng sẽ biến mất Trong những điều kiện nhất định, rung động này được coi là nguyên nhân chính gây mất ổn định Nhiều công trình nghiên cứu đã đề cập đến nguyên nhân của tự rung và có thể tóm tắt như sau:
Do biến đô ̣ng của lực cắt mà sự biến đô ̣ng đó là sự biến đô ̣ng của tốc đô ̣ cắt hoă ̣c của tiết diê ̣n lớp cắt
Do thay đổi lực ma sát ở mă ̣t trước và mă ̣t sau của dao
Do hê ̣ số ma sát trên sống trượt của máy thay đổi theo vâ ̣n tốc chuyển đô ̣ng của bàn máy
Do sự hình thành và phá hủy của le ̣o dao
Do sự không đồng nhất trong thành phần vâ ̣t liê ̣u phôi
Do hiê ̣u ứng tái sinh
Do liên kết vi ̣ trí Đặc điểm của tự rung:
Biên đô ̣ rung đô ̣ng tăng theo th ời gian cho đến mô ̣t giá tri ̣ tới ha ̣n xác đi ̣nh
Tần số rung đô ̣ng bằng tần số tự nhiên của hê ̣ hoă ̣c gần với tần số tự nhiên của mô ̣t số yếu tố của hê ̣
Năng lượng của rung động là năng lượng tự sinh ra trong quá trình cắt chứ không phải do lực bên ngoài cung cấp Khi khả năng giảm chấn của máy không đủ để hấp thụ toàn bộ năng lượng này, hiện tượng rung tự phát sẽ gia tăng, dẫn đến mất ổn định trong quá trình vận hành.
Hình (3.6) minh họa sự khác biệt giữa rung động cưỡng bức và tự rung, cùng với các điều kiện dẫn đến mất ổn định do tự rung Khi chiều sâu cắt t đạt đến giá trị giới hạn tk, biên độ tự rung sẽ tăng đột ngột, gây ra hiện tượng mất ổn định.
Rung động cưỡng bức Tự rung
Hình 3.6 : Phân biệt rung động cưỡng bức và tự rung
Chiều sâu cắt t t k Chiều sâu cắt t
– dụng cụ – chi tiết gia công, tức là vào độ cứng vững, hệ số tắt dần, tần số riêng, dạng dao động và hướng dao động
Trong quá trình tiện, độ ổn định của quá trình cắt chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như chiều rộng phoi (b), chiều dày phoi (a), vận tốc cắt (v), các góc cắt (δ, α, φ) và bán kính mũi dao (r) Bên cạnh đó, độ mài mòn của dao, môi trường cắt và loại vật liệu gia công cũng góp phần quan trọng Hệ số liên kết (z) là yếu tố chính để đánh giá sự xuất hiện của tự rung trong quá trình cắt Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có công thức phân tích chính xác nào xác định tác động của điều kiện cắt đến hệ số liên kết z, dẫn đến việc chưa thể lượng hóa ảnh hưởng này đến miền giới hạn ổn định Việc khảo sát thực nghiệm có thể giúp làm sáng tỏ ảnh hưởng của điều kiện cắt đến giới hạn ổn định.
Có hai phương pháp để xác định giá trị thay đổi của điều kiện cắt khảo sát Phương pháp đầu tiên phụ thuộc vào việc xác định ảnh hưởng của điều kiện cắt đến độ ổn định của quá trình cắt trong một tập hợp điều kiện cắt không đổi Điều này cho thấy rằng ảnh hưởng này có thể khác nhau tùy thuộc vào tập hợp điều kiện cắt Phương pháp thứ hai là chọn điều kiện cắt đặc trưng, như chiều rộng phoi, làm cơ sở để khảo sát Sự thay đổi của điều kiện cắt đặc trưng sẽ dẫn đến quá trình cắt tới giới hạn ổn định Qua đó, việc thay đổi điều kiện cắt sẽ giúp nghiên cứu ảnh hưởng đến độ ổn định của quá trình cắt, ví dụ như vận tốc cắt Cuối cùng, việc so sánh sự thay đổi của điều kiện cắt khảo sát với điều kiện cắt đặc trưng sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về độ ổn định của quá trình cắt.
Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến ổn định của quá trình cắt
ổn định của quá trình cắt.
3.4.1 Ảnh hưởng của chiều rộng lớp cắt b
Chiều rộng cắt b và chiều sâu lớp cắt t của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến vùng giới hạn ổn định trong các điều kiện cắt Hiệu ứng không ổn định cơ sở sẽ giảm dần cho đến khi đạt được giới hạn ổn định Trong thực tế, chiều rộng cắt b được sử dụng để đảm bảo sự ổn định trong quá trình cắt không ổn định Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b đến cường độ dao động, cụ thể là biên độ dao động (A), được thể hiện trong hình (3.7).
Hình 3.7 : Ảnh hưởng của b đến A
Hình 3.8 minh họa ảnh hưởng của s đến A, cho thấy hiệu ứng ổn định tăng lên theo giá trị lượng chạy dao và đạt đỉnh khi s = 0,6mm/vg, với điều kiện tiện t = 2mm và V = 41m/ph.
3.4.3 Ảnh hưởng của vận tốc cắt V Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ ổn định của quá trình cắt có đặc trưng khác nhau tại khu vực vận tốc nhỏ, trung bình và khu vực vận tốc khá lớn Trên hình (3.9) biểu diễn A = f(v) (khi tiện Ф = 95mm, l = 500mm, s = 0,2 vg/ph) có độ cực đại Một cách tổng quát có thể thấy rằng khi sử dụng dao cắt bằng thép gió thì hiệu ứng của vận tốc cắt đến độ ổn định là âm tính, còn khi sử dụng dao hợp kim cứng là dương tính
Hình 3.9 : Ảnh hưởng của V đến A
Hình 3.10 minh họa ảnh hưởng của vận tốc (V) đến độ chính xác (A) của quá trình tiện Đường cong a và b thể hiện sự khác biệt khi tiện chi tiết có đường kính Ф = 80mm và chiều dài l = 400mm Giá trị vận tốc giới hạn, khi A là hàm của v và đạt cực đại, phụ thuộc vào các điều kiện cắt, tính chất vật liệu gia công, và độ cứng vững của chi tiết Đặc biệt, độ cứng vững cao của chi tiết gia công sẽ dẫn đến giá trị tới hạn của vận tốc cũng tăng theo.
3.4.4 Ảnh hưởng của thông số hình học phần cắt
Góc cắt δ có ảnh hưởng lớn đến lực cắt và độ ổn định trong quá trình gia công Cụ thể, khi tiện thép với đường kính Ф = 100mm, chiều dài l = 700mm, tốc độ V = 41 m/ph và độ sâu cắt s = 0,1 mm/vg (hình 3.11), cũng như khi tiện thép với đường kính Ф = 190mm, chiều dài l = 600mm, độ sâu cắt t = 2 mm và s = 0,15 mm/vg (hình 3.12), việc giảm góc cắt δ có thể cải thiện độ ổn định của quá trình gia công.
Góc δ ảnh hưởng đến độ ổn định của quá trình cắt, trong khi góc α có tác động ít rõ ràng hơn Khi góc α ≤ 0°, quá trình cắt ổn định; khi α = 0°, quá trình không ổn định; và khi α tăng, độ ổn định cũng tăng theo Hình 3.13 minh họa ảnh hưởng của góc α đến cường độ dao động trong quá trình tiện thép với đường kính Ф = 100mm, tốc độ V = 35 m/ph và độ sâu cắt i = 0,1 mm/vg Giá trị tới hạn của góc α, tại đó độ ổn định không thay đổi, phụ thuộc vào cơ tính của chi tiết gia công, tốc độ cắt và đường kính chi tiết Khi đường kính chi tiết tăng và độ dẻo của vật liệu cao hơn, giá trị tới hạn của góc α cũng sẽ tăng.
Góc nghiêng φ có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định của quá trình cắt, chủ yếu thông qua tác động của nó đến chiều dày phoi và hướng lực cắt Cụ thể, khi góc nghiêng φ tăng lên, độ ổn định của quá trình cắt cũng được cải thiện Tuy nhiên, cường độ tác động của φ đối với độ ổn định này lại phụ thuộc vào các điều kiện làm việc cụ thể Hình (3.14) minh họa ảnh hưởng của góc nghiêng φ đến sự ổn định khi tiện thép Ф 110mm với tốc độ V = 57 m/ph và độ sâu cắt s = 0,2 mm/vg, cho thấy sự khác biệt giữa các máy tiện khác nhau qua các đường cong 1 và 2.
Bán kính mũi dao r có ảnh hưởng lớn đến độ không ổn định của quá trình gia công Sự tác động này làm tăng cường độ dao động, phụ thuộc vào hình dạng của phoi, cụ thể là làm tăng chiều rộng và giảm chiều dày phoi, cùng với sự thay đổi góc nghiêng trong khu vực bán kính mũi dao.
Ngoài các điều kiện cắt, độ ổn định của quá trình cắt còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác, như việc gá đặt phần cắt đối với trục của chi tiết gia công trong các quá trình tiện, khoan, mài, và chống tâm Hình 3.15 minh họa sự phụ thuộc của giá trị tới hạn của vận tốc cắt V m vào vị trí lực cắt, cho thấy rằng khi σ P đạt 910 N/mm² (đối với thép tôi), giá trị chiều rộng lớp cắt b n sẽ xác định điểm mà quá trình cắt bắt đầu mất ổn định tương ứng với lượng chạy dao s.
Hình 3.16 cho thấy ảnh hưởng của cơ tính vật liệu gia công đến quá trình cắt, trong đó giới hạn ổn định của quá trình cắt chịu tác động từ độ cứng vững của chi tiết gia công Hình 3.17 minh họa hiện tượng này khi tiện có giá đỡ (đường cong a) so với khi không có giá đỡ (đường cong b) Ngoài ra, môi trường cắt và trạng thái mài mòn của dao cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến độ ổn định của quá trình cắt.
Ngoài ra khối lượng của hệ thống, chất lượng bề mặt cắt cũng ảnh hưởng đến độ ổn định của quá trình cắt
Hình 3.17 : Độ ổn định khi tiện có giá đỡ (a) và không có giá đỡ (b)
Các dạng mất ổn định của quá trình cắt
- Mất ổn định do hiệu ứng tái sinh
- Mất ổn định do liên kết vị trí
3.5.1 Mất ổn định do hiệu ứng tái sinh
Tạo phôi trong điều kiện không ổn định, do sai lệch của phôi, đồ gá, dụng cụ cắt hoặc trục chính, có thể gây ra biến động lực cắt.
Sự biến động của lực cắt có thể gây ra rung động của máy, và ngược lại, rung động này lại làm tăng thêm sự biến động của lực cắt Ngay cả những biến động nhỏ của lực cắt cũng tạo ra sóng trên bề mặt gia công, dẫn đến sự biến động của chiều dày cắt Sự không đồng đều của chiều dày cắt, do lần cắt trước để lại (khi sử dụng dao một răng) hoặc do răng cắt trước để lại (khi sử dụng dao nhiều răng), sẽ gây ra những biến động khác nhau về lực, từ đó tạo ra rung động.
Hiệu ứng tái sinh xảy ra khi lực cắt động lực học lệch pha với chuyển động tương đối giữa lực cắt và phôi, dẫn đến sự tăng trưởng của tự rung và gây mất ổn định Sự rung này sẽ bị loại bỏ bởi các răng cắt hoặc lần cắt tiếp theo, từ đó hình thành một thế hệ sóng mới với biên độ Y i.
Lưỡi cắt trên bề mặt lượn sóng chịu tác động của lực biến đổi, gây ra rung động bổ sung cho dụng cụ cắt Nếu lực cắt và sóng bề mặt không cùng pha, sẽ dẫn đến rung động với biên độ ngày càng tăng Hình 3.18 minh họa sơ đồ rung động tái sinh do cắt bề mặt không đồng đều.
Mọi sự dịch chuyển của dụng cụ và phôi đều ảnh hưởng đến chiều rộng cắt (db) và chiều dày cắt (da) Sự thay đổi trong tiết diện ngang của lớp cắt sẽ gây ra biến đổi tương ứng của lực cắt (dF), được biểu diễn bởi công thức dF = f(da) Để xác định điều kiện giới hạn ổn định của hệ thống cấu trúc máy công cụ và quá trình cắt, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một số giả thiết.
Quá trình cắt tiến hành trên mặt phẳng
Cấu trúc của máy công cụ được biểu diễn bằng hệ một bậc tự do
Hệ thống là tuyến tính
Hướng của thành phần lực cắt là không thay đổi và nằm trong cùng một mặt phẳng với tốc độ cắt
Các thành phần biến đổi của lực cắt chỉ phụ thuộc vào rung động theo hướng vuông góc với bề mặt cắt Y
Hướng dao động chính X tạo góc α với hướng Y vuông góc với mặt cắt, trong khi lực cắt F nghiêng góc β so với Y Tốc độ cắt trung bình là V và chiều rộng cắt là B Sự biến đổi chiều dày do sóng trên bề mặt Y i-1 gây ra cho những lần cắt tiếp theo phụ thuộc vào độ lệch pha ε với sóng bề mặt Y, dẫn đến số sóng giữa những lần cắt.
n p : số sóng được tính theo số phần nguyên của bước
: phần tử lẻ của bước sóng
: pha của sóng bề mặt Y i với sóng bề mặt Y i-1
Nói cách khác số chu kỳ dao động giữa các lần cắt liên tiếp là một số nguyên cộng với một phân số
Khi tần số tự rung là bội số của tần số góc (ε = 0° hoặc ε = 360°), dao động cho phép lưỡi cắt di chuyển theo các sóng bề mặt đã có trước, tức là sóng ở mặt trên và mặt dưới của phoi đồng pha Trong trường hợp này, chiều sâu cắt không biến động và quá trình cắt diễn ra ổn định.
Khi góc pha đạt 180 độ, sóng ở mặt trên và mặt dưới của phoi ngược pha nhau, dẫn đến sự thay đổi lớn nhất về chiều sâu cắt và lực cắt động lực học Đồng thời, tự lượng 2 bậc tự do với 2 trục X1 và X2 thể hiện độ mềm dẻo và khối lượng tổng cộng vuông góc.
Mô tả tự rung không tái sinh cho thấy dao động của dụng cụ cắt theo một đường elip khép kín, như được minh họa trong hình 3.20b Trong suốt chu kỳ chuyển động, dụng cụ thực hiện các chuyển động đặc trưng, tạo ra hiệu quả cắt tối ưu.
Trong phần II, tôi đã thực hiện việc cắt dọc theo đường elip, nơi lực cắt được sinh ra theo hướng ngược lại với hướng của dụng cụ cắt, và năng lượng được lấy từ hệ thống Trong nửa chu kỳ còn lại, khi dụng cụ cắt di chuyển từ phần II sang phần I, lực cắt và chuyển động của dụng cụ cùng hướng, dẫn đến việc năng lượng được bổ sung cho hệ thống Chính phần năng lượng này làm tăng cường độ rung động của dụng cụ.
Lực cắt ở phần II của elip thường lớn hơn so với phần I, vì dao cắt đi sâu hơn, dẫn đến năng lượng đầu vào cao hơn năng lượng tiêu hao trong một vòng Hình 3.20a minh họa sự thay đổi của lực cắt P theo sự dịch chuyển của mũi dao.
Diện tích bị chắn bởi nửa trên của elip với trục hoành và các đoạn thẳng 1-1’, 4-4’ thể hiện công của lực cắt khi mũi dao di chuyển từ điểm 1 đến điểm 4 Ngược lại, diện tích bị chắn bởi nửa dưới của elip và các đoạn 1-1’, 4-4’ biểu thị công của lực cắt khi mũi dao quay trở lại từ điểm 4 đến điểm 1 Hiệu của hai diện tích này chính là năng lượng cần thiết để hoàn thành một chu kỳ dao động của dao và các chi tiết liên quan Năng lượng này được cung cấp từ hệ thống truyền động của máy Kiểu mất ổn định này được gọi là mất ổn định ghép vị trí do tự rung không tái sinh.
Các biện pháp nâng cao tính ổn định của quá trình cắt
Phân tích nguyên nhân gây dao động và đánh giá tính ổn định của quá trình cắt giúp đưa ra các giải pháp hiệu quả để giảm rung động và nâng cao tính ổn định Các biện pháp này có thể được phân loại thành ba nhóm chính.
3.6.1 Nhóm các biện pháp liên quan đến cấu trúc máy
Nâng cao độ cứng vững tĩnh của máy
Đảm bảo độ cứng vững của móng máy, lắp đặt các thiết bị có tác dụng giảm rung
Loại bỏ sai sót trong truyền động máy
Cân bằng tĩnh và động các chi tiết quay
Cân bằng trong vùng cộng hưởng
3.6.2 Nhóm các biện pháp liên quan đến phôi và dụng cụ gia công
Dùng các bộ phận đỡ làm tăng độ cứng vững của chi tiết gia công ví dụ như luynet trên máy tiện
Giảm trọng lượng của phôi, dụng cụ cắt
Sử dụng dao có cơ cấu giảm chấn
3.6.3 Nhóm các biện pháp liên quan đến quá trình cắt
Thay đổi số vòng quay của trục chính để giảm hiệu ứng tái sinh
Sử dụng chế độ cắt tối ưu
Lưạ chọn vật liệu phôi có lực cắt riêng nhỏ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO
Cơ sở để chọn thông số đo , phương pháp đo
Ba thông số quan trọng trong việc tính toán dao động là chuyển vị, vận tốc và gia tốc Những thông số này cũng có thể được sử dụng khi đo rung động.
Chuyển vị của các cơ hệ chủ yếu xảy ra ở tần số thấp, do đó việc đo chuyển vị có giá trị hạn chế trong việc nghiên cứu dao động cơ học Thông thường, chuyển vị được sử dụng để đo độ mất cân bằng của các bộ phận máy quay, vì chuyển vị lớn thường xuất hiện tại tần số quay của trục.
Việc đo vận tốc là một phương pháp phổ biến để xác định mức độ nghiêm trọng của dao động Tham số này được ưa chuộng vì nó có mối liên hệ rõ ràng với năng lượng dao động, từ đó trở thành chỉ số quan trọng để đánh giá tác động phá hoại của dao động.
Tham số gia tốc là yếu tố quan trọng trong việc đo rung động nhỏ trên máy móc hoạt động với tốc độ cao, đặc biệt là trong tầm tần số cao Để đo tín hiệu gia tốc, gia tốc kế thường được sử dụng Qua phép tích phân tín hiệu gia tốc, ta có thể thu được tín hiệu vận tốc, và tiếp tục tích phân tín hiệu vận tốc sẽ cho ra chuyển vị.
Máy phay cao tốc là thiết bị công cụ phổ biến cho cả gia công thô và tinh Trước khi gia công, bề mặt chi tiết thường có độ nhấp nhô nhỏ, dẫn đến rung động trên máy phay tương đối thấp Đồng thời, máy phay cao tốc hoạt động với tốc độ lớn, cho thấy rằng việc đo rung động bằng tham số gia tốc là phương pháp phù hợp nhất.
Rung động trên máy phay có thể được đánh giá qua sự biến đổi của các thông số cơ bản trong quá trình gia công, bao gồm vận tốc cắt V (m/s) và lượng chạy dao dọc S.
Chiều sâu cắt t (mm) và các thông số mm/ph được sử dụng để đo rung động trong quá trình phay Phương pháp thực hiện bắt đầu bằng việc đo rung động ban đầu khi dao chưa tiếp xúc với chi tiết, sau đó tiếp tục đo rung động trong quá trình phay khi thay đổi lần lượt các yếu tố V, S, t, trong khi giữ nguyên các thông số khác Qua đó, chúng ta có thể đánh giá tác động riêng biệt của từng thông số đến rung động Tổng hợp các kết quả sẽ giúp xác định mối quan hệ giữa rung động và các thông số V, S, t trong quá trình phay.
Hệ thống thiết bị đo
Hệ đo lường cơ bản dùng cho việc nghiên cứu rung động được mô tả trong sơ đồ sau:
Hệ thống giám sát rung động bao gồm các thành phần như vỏ máy, đế máy và trục, nơi mà các tín hiệu rung động được ghi nhận bởi đầu đo Tín hiệu này được truyền qua cáp tới bộ kiểm tra tín hiệu, nơi có mạch khuếch đại để tăng biên độ và mạch lọc để loại bỏ nhiễu Sau đó, thông qua bộ chuyển đổi tương tự - số, tín hiệu được chuyển đổi thành dạng số và gửi vào máy tính để xử lý.
Dựa trên sơ đồ tổng quát, hệ thống đo rung trên máy phay trong thực tế đã được bố trí như sau:
2 cảm biến đo rung gắn trên bàn máy
Bộ khuếch đại và mạch lọc
Máy tính nhận tín hiệu và xử lý
Bộ kiểm tra tín hiệu Đầu đo dao động
Bộ hiển thị, máy ghi, máy tính
Thiết bị phân tích dữ liệu
4.2.1.1 Giới thiệu về cảm biến đo rung
Độ rung được xác định thông qua chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc tại các điểm cụ thể trên vật rung Do đó, để đo rung động của một vật, người ta thường sử dụng đầu đo dao động, hay còn gọi là cảm biến đo rung, để ghi nhận một trong những đặc trưng này.
Cảm biến đo rung được phân loại dựa trên hiện tượng vật lý diễn ra bên trong, và tùy thuộc vào dải tần số, cảm biến rung động có thể thuộc một trong ba loại chính.
Cảm biến gia tốc được chia thành ba loại:
Cảm biến áp điện (dải tần hàng trăm Hz, cấp chính xác cỡ 10 -2 )
Cảm biến áp trở (dải tần hàng chục kHz, cấp chính xác cỡ 10 -2 )
Cảm biến từ trở (dải tần hàng kHz, cấp chính xác cỡ 10 -2 )
4.2.1.2 Nguyên lý cảm biến rung động
Hình 4.3 : Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo rung
Cảm biến bao gồm một bộ phận cơ khí như tinh thể áp điện hoặc lò xo, kết nối với khối lượng rung và được bảo vệ trong một hộp Chuyển động rung của khối lượng M sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện, đại diện cho đại lượng thứ cấp m² cần đo.
Có thể xem cấu trúc này giống như một hệ cơ khí có một bậc tự do
Khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp, điểm c nằm ở cùng độ cao với điểm a Độ dịch chuyển tương đối của khối lượng M so với vỏ hộp được ký hiệu là z, với công thức z = h - h o, trong đó h là tung độ điểm b của khối lượng rung và h o là tung độ điểm c của vỏ hộp.
Khi đó phương trình cân bằng giữa phản lực Cz, lực ma sát nhớt dt
M d do gia tốc của khối lượng M gây ra sẽ có dạng:
2 2 2 2 (4.2) Như vậy cấu tạo của loại cảm biến đo đại lượng sơ cấp m 1 (độ dịch chuyển h o , vận tốc dt dh o
) phụ thuộc vào đại lượng được chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m 2 (z, dt dz , 2
2 dt z d ) và dải tần số làm việc Dải tần này quyết định số hạng
Dùng toán tử Laplace có thể mô tả hoạt động của cảm biến rung bằng biểu thức sau:
2 là tần số riêng của M trên lò xo độ cứng C
là hệ số tắt dần
4.2.1.3 Chọn loại cảm biến đo rung
Gia tốc kế áp điện là loại cảm biến phổ biến nhất để đo rung động, với tầm tần số và vùng năng động rộng, độ bền cao và độ tin cậy tốt Nó không cần nguồn điện vì là dụng cụ tự phát và không có bộ phận di động, giúp tránh hao mòn Tín hiệu của gia tốc kế tỉ lệ với gia tốc, cho phép tích phân để thu được tín hiệu về vận tốc và chuyển vị Cảm biến này xác định mối quan hệ pha và biên độ của dao động trên các điểm khác nhau của cấu trúc, cung cấp thông tin quan trọng về hệ thống chất rắn Với chi phí thấp, dễ lắp đặt và hiệu quả cao, gia tốc kế áp điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để giám sát quá trình và chẩn đoán tình trạng máy móc.
Sơ đồ kết cấu gia tốc kế áp điện là độ nhạy của cảm biến thứ cấp
Gia tốc kế áp điện sử dụng các phần tử áp điện, thường là hợp kim bột sắt điện đã được phân cực, để tạo ra điện tích tỷ lệ với mức biến dạng do lực kéo, ép hoặc trượt Khi gia tốc kế rung, khối lượng tạo ra lực tác động lên phần tử cảm biến, theo định luật F = ma Nguyên lý hoạt động dựa vào hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh hoặc gốm, phát ra điện tích tỷ lệ với gia tốc Hiệu ứng này tạo ra điện tích trái dấu, tỷ lệ với lực tác dụng, làm thay đổi sự sắp xếp của các ion trong cấu trúc, dẫn đến tích lũy điện tích tại một điện cực và được quyết định bởi vi mạch bán dẫn.
Trong gia tốc kế, khi có ứng suất trên tinh thể thạch anh hoặc gốm, điện tích được phát ra do khối lượng địa chấn tác động lên tinh thể Lực tác dụng này tuân theo định luật II Newton.
Hình 4.6 : Các loại cảm biến áp điện
Toàn bộ điện tích tỉ lệ với lực tác dụng, và lực tác dụng tỉ lệ với gia tốc Các điện cực thu nhận và truyền điện tích đến bộ phận kiểm tra tín hiệu, có thể tích hợp bên trong hoặc nằm ngoài cảm biến Cảm biến áp điện kiểu điện áp có bộ phận kiểm tra tín hiệu tích hợp bên trong, trong khi kiểu cảm biến áp điện điện tích có bộ phận bên ngoài Sau khi được kiểm tra, điện tích sẽ được hiển thị, phân tích hoặc điều khiển Gia tốc kế áp điện sử dụng vật liệu áp điện làm phần tử sơ cấp, và phải tuân theo hiệu ứng áp điện để phát tín hiệu ở ngõ ra Khi chịu tác động của lực bên ngoài, phần tử áp điện sẽ sinh ra nguồn điện, như mô tả trong hình 4 với sự dịch chuyển của điện tích đến bề mặt phần tử, trong đó vòng tròn lớn đại diện cho nguyên tố silic và vòng tròn nhỏ cho nguyên tố oxi.
Hình 4.7 : Hiệu ứng áp điện
Các loại vật liệu được sử dụng làm phần tử áp điện được chia làm 2 loại : tự nhiên và nhân tạo
Vật liệu áp điện tự nhiên, như tinh thể thạch anh, có sẵn trong tự nhiên với hàm lượng cao Đây là loại vật liệu phổ biến được sử dụng trong việc chế tạo gia tốc kế áp điện.
Vật liệu nhân tạo : tinh thể gốm có đặc tính cứng như kim loại cũng là loại vật liệu phổ biến để chế tạo phần tử áp điện
Phần tử áp điện có nhiều kích thước và hình dáng khác nhau, tùy thuộc vào cách lắp đặt trong cảm biến áp điện Chúng hoạt động như bộ giảm chấn chính xác, với cấu trúc thay đổi theo mục đích sử dụng Thông thường, dạng trượt mang lại kết quả tối ưu cho các gia tốc kế tổng quát, trong khi loại nén được sử dụng cho các gia tốc kế chuyên biệt.
Vật liệu áp điện có độ cứng cao khoảng 10459 N/m², tương tự như kim loại, cho phép chúng sản sinh điện áp ngõ ra lớn với lực tác động rất nhỏ Do không bị uốn cong, cảm biến áp điện trở nên cứng cáp và có đặc trưng tuyến tính tốt, với dải biên độ rộng Gia tốc kế kiểu áp điện có khả năng đo gia tốc từ 0,0001g đến 100g.
Một hạn chế quan trọng của cảm biến áp điện là khả năng chỉ đo động, không thể đo tĩnh liên tục Khi ở trạng thái tĩnh, tín hiệu đầu ra của cảm biến sẽ từ từ suy yếu theo hằng số thời gian, tương ứng với bộ lọc thông cao dựa trên dung kháng và trở kháng của thiết bị Trong thiết kế cảm biến gia tốc, vật liệu vỏ bọc và đầu nối được lựa chọn cẩn thận, đặc biệt khi các gia tốc kế thường phải hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt với hóa chất độc hại và dung dịch ăn mòn Để khắc phục vấn đề này, các nhà sản xuất sử dụng thép không gỉ 316L cho vỏ bọc, vì đặc tính không nhiễm từ của nó khi đặt gần các động cơ lớn.
Nhôm thường được dùng để làm vỏ bảo vệ cho gia tốc kế, nhưng do tính chất mềm và dẻo của nó, nhôm không phù hợp cho môi trường công nghiệp Hiện nay, trên thị trường có một số loại gia tốc kế mới được trang bị vỏ bọc bằng hợp chất chống mòn, chẳng hạn như thép không gỉ, mang lại độ bền cao hơn.
Để đảm bảo gia tốc kế hoạt động ổn định trong môi trường độc hại, các đầu nối bằng inox với mối ghép kín cần được lắp ghép tỉ mỉ Nếu không, chất gây ô nhiễm có thể xâm nhập vào cảm biến, gây hư hỏng hoặc giảm tuổi thọ Để ngăn chặn điều này, có thể sử dụng chùm tia laze hoặc electron để hàn kín, hoặc keo dán đặc biệt để bịt kín các mối ghép, tránh dung dịch hoặc hóa chất xâm nhập và giảm tiếng ồn gây nhiễu tín hiệu Trong sản xuất gia tốc kế công nghiệp, thường sử dụng ba loại kết cấu chính: dạng uốn, dạng kéo và dạng nén, tất cả đều bao gồm ba thành phần cơ bản: phần tử áp điện, khối lượng địa chấn và vỏ bọc.
Xử lý số liệu bằng Matlab
4.5.1 Đánh giá biên độ dao động bằng mức quân phương RMS
Khi đánh giá biên độ dao động ta dùng chỉ số RMS Về mặt toán học hàm RMS được tính theo công thức:
Khi tính cho tín hiệu rời rạc, công thức đưa về dạng sau: n x n x X n i n i i i RMS
Trong phần mềm Matlab không có hàm tính RMS trực tiếp từ các tín hiệu, muốn có giá trị này thì phải sử dụng công thức sau:
Trong đó: norm(x) là hàm tính
2 từ tín hiệu x đưa vào n là số phần tử của Vecto tín hiệu x, n = length(x) sqrt(n) là hàm tính n
Tín hiệu thu được từ các file được tải vào với các lệnh: sig_i = load (sig_i.txt);
File sig_1.txt chứa tín hiệu rung động của máy khi không tải và cần được xử lý trước để làm nền tảng cho việc phân tích các tín hiệu tiếp theo Giá trị RMS của file này được tính bằng công thức: rms_sig_1 = norm(sig_1)/sqrt(length(sig_1)).
Các giá trị RMS của file tín hiệu khác được tính chung nhờ chuỗi lệnh dưới đây: rms_sig_i = norm(sig_i)/sqrt(length(sig_i)) - rms_sig_1;
Sau khi hoàn tất việc xử lý số liệu, bảng dữ liệu về biên độ RMS và độ nhám đã được thu thập Sử dụng phần mềm Matlab, chúng tôi đã vẽ các đồ thị để thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố: đồ thị đầu tiên minh họa mối liên hệ giữa RMS, vận tốc cắt và độ nhám; đồ thị thứ hai thể hiện mối quan hệ giữa RMS, lượng chạy dao và độ nhám; và đồ thị thứ ba mô tả mối liên hệ giữa RMS, chiều sâu cắt và độ nhám.
Từ các đồ thị trên, tạm thời dự báo quan hệ giữa RMS với vận tốc cắt V có dạng hàm số mũ như sau:
RMS = a V x (*) Để tìm 2 hệ số a và x cho hàm số ta sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính theo các bước:
Lấy ln 2 vế thu được: lnRMS = lna + x.lnV
Sử dụng phần mềm EViews 5 để tính hồi quy để tìm các thông số cần thiết như lna và x
Từ đó thu được phương trình quan hệ giữa RMS và vận tốc cắt V cuối cùng Thực hiện tương tự cho lượng chạy dao S và chiều sâu cắt t
4.5.2 Ứng dụng biến đổi FFT xử lý tín hiệu đo rung
Mô hình lý thuyết sử dụng biến đổi FFT để xử lý tín hiệu
Khi đã có phổ năng lượng theo tần số, cần xem xét biên độ dao động cực đại để đánh giá mức độ rung động Biên độ dao động cực đại trên miền tần số cho biết tần số nào có biên độ lớn nhất Tiếp theo, cần xác định nguyên nhân gây ra dao động tại tần số đó để giảm thiểu dao động Để tìm biên độ dao động cực đại, sử dụng câu lệnh: m_i_max = max(m_i(1:256));
Sau khi xử lý xong thu được bảng kết quả thể hiện biên độ dao động cực đại với các yếu tố khảo sát
Tiến hành nhận xét kết quả.
