Báo cáo khoa học: " MÔ HÌNH CÔNG SUẤT CẮT DÙNG ĐỂ KIỂM TRA MÀI MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY" potx

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008
MÔ HÌNH CÔNG SUẤT CẮT DÙNG ĐỂ
KIỂM TRA
MÀI MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY
A CUTTING POWER MODEL FOR TOOL WEAR MONITORING
IN MILLING

NGUYỄN THẾ TRANH
Trường Cao đẳng Công nghệ, ĐHĐN

TÓM TẮT
Bài báo này trình bày mô hình công suất cắt trong phay mặt ứng với các điều kiện
cắt và mài mòn mặt sau trung bình. Mô hình công suất cắt được kiểm định bằng
thực nghiệm. Với các kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng tỏ rằng các tín
hiệu công suất mô phỏng được dự báo công suất cắt trung bình tốt hơn là công
suất cắt tức thời. Cuối cùng mô hình công suất cắt được sử dụng trong phương
thức cập nhật giá trị giới hạn công suất cắt để kiểm tra mài mòn dao được thực
hiện thành công khi phay với các điều kiện cắt biến đổi.
ABSTRACT
This paper describes a cutting power model in face milling operation, where
cutting conditions and average tool flank wear are taken into account. The cutting
power model is verified with experiments. It is shown with the simulations and
experiments that the simulated power signals predict the mean cutting power
better than the instantaneous cutting power. Finally, the cutting power model is
used in a cutting power threshold updating strategy for tool wear monitoring with
has been carried out successfully in milling operations under variable cutting
conditions.

1. Giới thiệu
Trong cắt kim loại, tình trạng dao phải được kiểm tra bởi người thực hiện hoặc
bởi hệ thống kiểm tra on-line để tránh hư hỏng sản phẩm và máy cắt gọt. Trong nền sản

xuất hiện đại, với yêu cầu giảm giá thành và nâng cao chất lượng, việc kiểm tra on-line
tình trạng dụng cụ ngày càng quan trọng. Trong những năm qua [1-3], nhiều công trình
nghiên cứu đã cung cấp các hệ thống kiểm tra on-line tình trạng dụng cụ khi cắt rất hiệu
quả và đáng tin cậy trong lĩnh vực chế tạo máy. Các kỹ thuật đã đề xuất để kiểm tra tình
trạng dụng cụ có thể phân thành 2 loại chính [1-3]: các phương pháp trực tiếp và các
phương pháp gián tiếp. Các phương pháp trực tiếp có thể được thiết lập nhờ dùng các
dụng cụ như đầu dò tiếp xúc, cảm biến quang học và các cảm biến tiếp cận gần để đo về
hình dáng hình học hay hình thái học lưỡi cắt. Các phương pháp gián tiếp dựa trên việc
tiếp nhận các biến quá trình cắt từ đó mà tình trạng dụng cụ có thể được suy diễn ra tương
ứng với một số mô hình tín hiệu đã biết. Các phương pháp trực tiếp là tin cậy nhưng
chúng không thể cung cấp các phép đo liên tục trong quá trình vì rằng các lưỡi cắt nói
chung không thể tiếp cận được trong quá trình cắt; ngược lại các phương pháp gián tiếp
cho phép thực hiện đo đạc trong khi dụng cụ cắt đang tham gia cắt gọt tạo khả năng có thể
kiểm tra on-line tình trạng dụng cụ.
Trong các hệ thống kiểm tra dụng cụ gián tiếp, các biến của quá trình cắt như lực
cắt, âm thanh phát ra, nhiệt độ, rung động, công suất động cơ quay hiện thời v.v được đo
85
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008
một cách liên tục và trạng thái của dụng cụ được xác định tương ứng với một số mẫu tín
hiệu có quan hệ với tình trạng mài mòn hay gãy vỡ dao [3]. Theo nhiều hệ thống kiểm tra
dụng cụ, hệ thống kiểm tra công suất của động cơ được xem là một trong những hệ thống
khả dụng nhất trong các xưởng chế tạo vì rằng tương đối đơn giản và dễ thiết lập trên các
phương pháp gia công. Giống như nhiều hệ thống kiểm tra khác, hầu hết các hệ thống
kiểm tra công suất thường dựa trên các phương thức kiểm tra theo chuẩn không đổi trong
đó tín hiệu công suất đo được sẽ được so sánh liên tục với chuẩn kiểm tra định trước
tương ứng với việc hỏng dao hoặc mức mòn dao nào đó [4,5]. Tuy nhiên phương thức này
chỉ có giá trị đối với từng tập hợp riêng biệt các điều kiện gia công. Các tín hiệu công suất
đo được nói chung chịu ảnh hưởng của sự biến đổi các yếu tố như vật liệu chi tiết gia
công, thông số hình học và vật liệu dao và điều kiện cắt. Đặc biệt, các hằng số hay các
chuẩn đề xuất để lập mối quan hệ giữa tín hiệu công suất với tình trạng dao là riêng biệt

với một tập các điều kiện cắt nhất định. Điều này yêu cầu việc phát triển và tích luỹ tập
hợp các chuẩn kiểm tra như là nhiều các tham số khác nhau cho mỗi điều kiện của quá
trình khảo sát. Hơn nữa, khối lượng lớn các thử nghiệm mài mòn phải được tiến hành đối
với các điều kiện hoặc một tập hợp các điều kiện mong muốn để nhận được các hằng số
hay tham số khác nhau cần cho dự báo chính xác mức độ mài mòn hoặc hỏng dao. Những
khó khăn này ảnh hưởng đến chỉ tiêu giá thành khi gia công. Như vậy cần phải tìm các
phương pháp kiểm tra mới có khả năng khắc phục các hạn chế này, đặc biệt trong gia công
với các điều kiện cắt thay đổi.
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là sử dụng một mô hình công suất cắt trong đó
các điều kiện cắt (như là tốc độ cắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt, vật liệu chi tiết và dụng
cụ) cũng như mài mòn mặt sau dao sẽ được quan tâm khảo sát. Dựa trên mô hình công
suất cắt, ta có thể phát triển ứng dụng một phương thức kiểm tra theo chuẩn cập nhật đối
với các trường hợp gia công có các điều kiện cắt thay đổi.
2. Mô hình công suất cắt trong quá trình phay mặt
Kiểm tra công suất cắt trên dụng cụ cắt dựa trên nguyên tắc công suất tiêu phí khi
dùng dao sắc nhọn nhỏ hơn là khi dùng dao bị mòn. Vì rằng sự tiêu phí công suất của
động cơ dẫn động quay được xác định bởi mômen cắt, nên thành phần tiếp tuyến của lực
cắt sẽ được quan tâm trong nghiên cứu này. Trong phần này, mô hình công suất cắt sẽ
được sử dụng dựa trên mô hình lực cắt cơ
học biến đổi.
2.1. Lực cắt tiếp tuyến trong phay mặt.
Nhiều kết quả nghiên cứu đã được
nêu trong mô hình lực cắt [5-6]. Theo đó,
thành phần lực tiếp tuyến có thể được viết
như sau: (Hình 1).

() sin
x
vz
FCabs

ϕϕ
−
= (1)
trong đó C và x là các hằng số,
a là chiều
dày cắt trung bình:
12
1
() (sin sin )
r
v
z
s
ahd
ϕ
ϕ
ϕϕ ψ ψ
ψψ
==+
∫


a(φ)
s
z

dao phay
F
v
(φ)

s

chi tiết
D

t

Hình 1. Các thông số cắt khi phay mặt
86
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008
với:
1
21
12
arcsin[( 2 ) / ],
arcsin[( 2 ) / ], =
/ 2 , / 2
vr
tD
tD
2
ψ
δ
ψ
δ
ψψ ψ
ϕπ ψ ϕπ ψ
=+
=− +
=− =+

2.2. Ảnh hưởng mài mòn dao đến lực tiếp tuyến.
Mài mòn dao là không thể bỏ
qua trong quá trình cắt, do vậy mài mòn
dao tham gia vào mô hình lực cắt. Daniel
[6] công nhận rằng lực do mài mòn mặt
sau trên lưỡi cắt có thể được biểu diễn
thành hai thành phần (F
nw
và F
tw
). F
nw

thẳng góc với vùng mài mòn và tỷ lệ với
độ cứng H (độ cứng Brinell) của vật liệu,
chiều rộng vùng mài mòn trung bình
(
VB ), chiều dài vùng mài mòn l. Theo
Daniel [6]:

nw
FHVB= l (2)
Và F
tw
do ma sát trên vùng mài mòn:

tw nw
FF
μ

= (3)
trong đó μ là hệ số ma sát trượt giữa vật
liệu chi tiết và dụng cụ.
Thường lấy l=b. Dựa trên các
phương trình (1)-(3), thành phần lực cắt
tiếp tuyến có thể được biểu diễn như sau:

() [ sin ]
x
vz
F
bCa s HVB
ϕϕ
−
=+
μ
(4)
chi tiết
lưỡi dao
s
t
dao cắt
2.3. Mô hình lực cắt tức thời khi phay
mặt.

Dựa trên phương trình (4), đối
với đầu dao phay có Z răng, công suất
cắt của răng cắt thứ i có thể xác định bởi:

( ) ( ) [ sin ] ( )

x
iv z v
pDnFDnbCas HVB
Hình 2. Quá trình cắt nhiều răng dao:
a. Sơ đồ cắt
b. Sự phân bố công suất cắt
r
ϕ
π
ϕ
π
ϕμ ϕ ϕϕ
−
== + ≤≤ (5)
Số răng tham gia cắt đồng thời (m) được xác định bởi góc răng đầu dao (Φ) và
góc ôm phần cắt (ψ) (Hình 2a) tăng khi phần ôm cắt rộng lên và ngược lại. Đối với đầu
dao phay có Z răng, m lớn nhất là bằng Z/2. Xét trường hợp phần ôm cắt cho trước, quá
trình phay có thể được chia thành giai đoạn m răng tham gia cắt (giai đoạn A) và giai đoạn
(m-1) tham gia cắt (giai đoạn B) (Hình 2a). Hai giai đoạn này luân phiên nhau với tần số
một góc răng (Hình 2b).
Dựa vào phương trình (5), công suất cắt của đầu dao phay trong chu kỳ cắt thứ j
có thể được viết thành:(Hình 2).
87
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008
11
11
1
11
() ( ( 1)
() [ ( 1) ]

())
()
() ( ( )
() [ ( 1) ]
)
(j=1,2,3, )
mm
mv
iv
ii
j
mm
mv
iv
ii
Pj
pDnFi
jm
P
Pjm
pDnFi
j
v
v
ϕϕ ϕψϕ
ϕπ ϕ
ϕ
ϕψϕ ϕϕ
ϕπ ϕ
==

−−
−
==
⎡⎡
+−Φ≤<+
⎡
+−Φ
⎢⎢
⎢
+− Φ
⎢⎢
⎢
== =
⎢⎢
⎢
++−Φ≤<
⎢⎢
+−Φ
⎢
+Φ
⎢⎢
⎣
⎣⎣
∑∑
∑∑
(6)

trong đó:
sin( ( 1) / 2)sin( / 2)
()

sin( / 2)
x
mz
mm
P Dnb Ca s HmVB
ϕ
ϕπ μ
−
⎡
⎤
+−Φ Φ
=+
⎢
⎥
Φ
⎣
⎦

2.4. Mô hình công suất cắt trung bình trong phay mặt.
Từ các phương trình (4)-(6), công suất cắt trung bình có thể được xác định như
sau:

vv
(cos( ) cos( )) / 2
x
z
P ZnDb Ca s HVB
ϕϕψμψ
−
⎡⎤

=−++
⎣⎦
(7)
3. Mô phỏng và thử nghiệm
3.1. Các phương pháp thử nghiệm
Các thử nghiệm cắt gọt được thực hiện trên máy phay X62W. Hệ thống tiếp nhận
dữ liệu bao gồm bộ chuyển đổi công suất động cơ, carte chuyển đổi A/D và máy tính. Mài
mòn mặt sau của mãnh dao carbide (hợp kim cứng) được đo bằng kính hiển vi.
Thử nghiệm phay được thực hiện với các điều kiện cắt khác nhau (Bảng 1). Dựa
trên các tín hiệu công suất đo được và phương pháp bình phương tối thiểu, các hằng số mô
hình công suất nhận được là C = 1,54MN/m, x = 0,23 và μ = 0,1.

Bảng 2. Điều kiện cắt trong mô phỏng và thử nghiệm
Nhóm Số
răng
dao
Tốc độ
cắt
Chiều
sâu cắt
Lượng
chạy dao
3.2. Kết quả và nhận xét.
Để kiểm tra đánh giá mô hình công suất cắt đã nêu, năm nhóm mô phỏng và thử
nghiệm được thực hiện (Bảng 2). Hai nhóm đầu được dùng để khảo sát các tín hiệu về
công suất cắt theo thời gian. Ba nhóm còn lại được thực hiện nhằm xác định đúng mối
quan hệ tỷ lệ giữa
VB và công suất cắt trung bình.
Trong nhóm thứ nhất, các tín hiệu công suất đo và mô phỏng được khi cắt do một
răng dao với dụng cụ mới (

0VB = ) và dụng cụ đã mòn ( 1, 1 , 4, 0VB mm l mm==) được
cho trên Hình 3. Trong nhóm thứ hai, các tín hiệu công suất khi cắt bởi nhiều răng dao với
dụng cụ mới (
0VB = ) và dụng cụ đã mòn (
0,98 , 4, 0VB mm l mm==
) được cho trên
Hình 4. Cả hai trường hợp, các tín hiệu mô phỏng và đo được là rất phù hợp ngoại trừ
trong các vùng răng dao vào cắt và ra cắt.
(m/ph) (mm) (mm/vg)
1 1 18 4 0,80
2 5 9 4 0,80
3 5 94 5 0,78
4 5 149 2 1,00
5 5 149 3 1,00
Bảng 1. Các điều kiện thử nghiệm
Chi tiết
gia công
VL: Gang (HB=1680N/mm
2
)
Kích thước: 500x70x500mm
3

Dao cắt Vật liệu: HKC carbide
Số răng: 1 và 5; D = 100mm
Điều kiện
cắt
b = 2-6mm; s = 0,065-2mm/vg
v = 18-236m/ph; t = 70mm
không bôi trơn làm nguội

88
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008
89
Trong các vùng này, các tín hiệu
đo được có sự dao động bất thường. Đó
là do có sự gia tăng đột ngột (xung
dương) của tải cắt gọt lên hệ truyền
chuyển động quay khi răng dụng cụ vào
vùng cắt. Sự gia tăng tải đột ngột này
gây nên sự vượt quá trong hệ thống đo
công suất và làm thay đổi bất thường các
tín hiệu công suất đo được. Tương tự,
trong các răng nằm trong vùng cắt, một
xung âm do sự mất đi đột ngột của tải
cắt cũng có thể gây nên sự thay đổi bất
thường của các tín hiệu.
Các kết quả thử nghiệm và mô
phỏng của ba nhóm sau được chỉ ra trên
Hình 5.
Có thể thấy rằng công suất cắt
trung bình mô phỏng được là rất phù hợp
với các kết quả đo được. Nói cách khác,
mô hình công suất cắt trung bình có thể
được dùng để dự báo sự tiêu hao công
suất cắt trung bình hiện thời của dụng cụ
cắt. Từ Hình 5 ta có cả hai tín hiệu công
suất đo được và mô phỏng được nói
chung tỷ lệ với
VB . Điều này chứng tỏ
rằng công suất cắt trung bình có thể

thời gian (s)
thời gian (s)
thời gian (s)
thời gian (s)
Côn
g
suất
(
kW
)

Côn
g
suất
(
kW
)

Côn
g
suất
(
kW
)
Côn
g
suất
(

kW
)

mới
mòn
mới
mòn

mới
mòn

mới
mòn
Hình 3. Hai chu kỳ tín hiệu công suất cắt
khi cắt với một răng dao: a. TH đo được;
b. Tín hiệu mô phỏng
Hình 4. Tín hiệu công suất cắt khi cắt với
nhiều răng dao: a. Tín hiệu đo được;
b. Tín hiệu mô phỏng



Hình 5. Quan hệ mài mòn dao và công suất cắt
trung bình.
a. v = 94m/ph, b = 5mm, s = 0,78mm/vg
b. v = 149m/ph, b = 2mm, s = 1,00mm/vg
c. v = 149m/ph, b = 3mm, s = 1,00mm/vg
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008
dùng làm tín hiệu dự báo cho mài mòn dao.
4. PHƯƠNG THỨC CHUẨN CẬP NHẬT.

Trong phần này, dựa vào mô hình công suất cắt trung bình, phương thức kiểm tra
mài mòn dao với các nguyên công cắt thay đổi nhờ cập nhật liên tục chuẩn kiểm tra tín
hiệu công suất cắt trung bình được sử dụng với các bước sau:
(1). Nhập vào dữ liệu của máy công cụ, dụng cụ cắt và chi tiết gia công;
(2). Lựa chọn tiêu chuẩn mài mòn dao [VB] ứng theo độ bóng và dung sai kích
thước;
(3). Xác định trực tiếp các điều kiện cắt;
(4). Dựa vào phương trình (7) tính công suất cắt trung bình thực ứng với [VB]:
vv
[] [ (cos( ) cos( )) [ ] ]/2
x
z
PZnDbCas HVB
ϕϕψμψ
−
=−++ (8)
(5). Tính công suất cắt cho phép [P] để kiểm tra tình trạng dao nhờ phương trình
(8):

[] []/
i
PpP
η
=+ (9)
trong đó [P] là giá trị cho phép của tín hiệu công suất động cơ đo được,
i
p
là công suất
chạy không tải của động cơ quay tại tốc độ quay n nào đó và η là hiệu suất máy;
(6). Lấy mẫu tín hiệu công suất từ động cơ quay và thực hiện lọc bước thấp tín

hiệu công suất, tính toán mức trung bình của tín hiệu công suất lọc bước thấp
p
;
(7). So sánh
p
và [P] . Nếu []
p
P< , lặp lại từ bước (3); nếu không thì dừng gia
công, thay dụng cụ bị mòn, bắt đầu gia công lại và lặp lại từ bước (1) hay bước (3).
Hình 6 xác nhận rằng phương thức kiểm tra đề xuất bền vững và thực dụng hơn
phương thức kiểm tra theo giá trị cho
phép truyền thống. Với mài mòn mặt sau
[VB]=0,5mm, các chuẩn công suất tương
ứng chiều sâu cắt 2 và 3mm là 3,15 và
4,35kW (Hình 6). Trong phương thức
chuẩn hằng số, nếu chuẩn công suất là
3,15kW trong suốt quá trình phay, việc
kiểm tra đúng mài mòn dao có thể được
thực hiện khi chiều sâu cắt là 2mm, nhưng
những tín hiệu báo nguy giả tưởng của
dao bị mòn xảy ra khi chiều sâu cắt là
3mm (trong khi đó tín hiệu công suất đối
với dao mới (
VB =0,00mm) khoảng
3,3kW (hình 6)).


Hình 6. Các tín hiệu công suất trung bình khi cắt với
dao mới, dao bị mòn
VB

=0,85mm và đườn
g
cong chuẩn kiểm tra với mài mòn [VB]=0,5mm.
5. KẾT LUẬN.
Mô hình công suất cắt để kiểm tra mài mòn dao với những điều kiện cắt thay đổi
đã được tiến hành nghiên cứu có kết quả tốt. Tải trọng cắt không liên tục trên động cơ
quay của nguyên công phay được mô phỏng. Từ các kết quả thực nghiệm ta thấy rằng có
các dao động cố định trong các tín hiệu công suất cắt đo được do tải cắt gọt không liên tục
trong nguyên công phay. Các dao động này gây nhiều khó khăn trong việc sử dụng mô
hình công suất để dự báo tín hiệu công suất tức thời. Tuy nhiên, công suất cắt trung bình
90
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008
91
từ các tín hiệu công suất đo và mô phỏng được đã đáp ứng tốt cho việc nhận xét và đánh
giá mài mòn dao. Phương thức kiểm tra mài mòn sử dụng chuẩn cập nhật đã được giới
thiệu và thực hiện thành công với các điều kiện cắt thay đổi. Phương thức này có tính bền
vững và thực dụng hơn trong việc triển khai thực hiện ở xưởng sản xuất đối với các
phương pháp kiểm tra theo giá trị công suất giới hạn truyền thống [3-4] đặc biệt khi sử
dụng các điều kiện cắt thay đổi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] N.H. Cook, Tool wear sensors, Wear 62(1980) 49–57.
[2]
D. Li, J. Matthew, Tool wear and failure monitoring techniques for turning- a
review, International Journal of Machine tools and Manufacture 30(4)(1990) 579–
598.
[3]
D.E. Dimla Sr., Sensor signals for tool-wear monitoring in metal cutting
operations—a review of methods, International Journal of Machine tools and
Manufacture 40(2000) 1073–1098.

[4]
D. Cuppini, G. D’errico, G. Rutelli, Tool wear monitoring based on cutting power
measurement, Wear 139(1990) 303–311.
[5]
J. Jones, Y. Wu, Cutting tool’s power consumption measurements, US Patent, 1996.
[6]
[6] D.J. Waldert, S.G. Kapoor, R.E. Devor, Automatic recognition of tool wear on a
face mill using a mechanistic modeling approach, Wear 157(1992) 305–323.