Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công khi tiện cao tốc vật liệu SUS304 trên máy tiện CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ THĂNG KHOA

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ
chính xác gia công khi tiện cao tốc vật liệu SUS304 trên máy tiện CNC
CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Công nghệ chế tạo máy

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS TRƯƠNG HOÀNH SƠN

Hà Nội – Năm 2010

0


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo
đã được ghi rõ trong luận văn.
Tác giả

Lê Thăng Khoa

1

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan

1

MỞ ĐẦU

5

1. Tính cấp thiết luận văn

5

2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

5

2.1. Ý nghĩa khoa học

5

2.2. Ý nghĩa nghĩa thực tiễn

6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ
TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

8

1.1. Tổng quan về nghiên cứu gia công cao tốc

8

1.1.1. Lịch sử phát triển

8

1.1.2. Hiệu qủa kinh tế

17

1.2. Giới hạn nghiên cứu

18

1.2.1. Đối tượng nghiên cứu

18

1.2.2. Giới hạn nghiên cứu

18

1.3. Kết luận

18

Chương 2 ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH
HƯỞNG

20

2.1. Khái niệm và định nghĩa

20

2.2 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công trên máy công cụ

23

2.2.1. Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt

23

2.2.2. Phương pháp tự động đạt kích thước

24

2.2.3. Phương pháp đạt độ chính xác gia công bằng điều khiển thích nghi

25

2.3. Các nguyên nhân gây ra sai số

26

2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

27

2.4.1. Ảnh hưởng do biến dạng hệ thống công nghệ

27

2.4.2. Ảnh hưởng của độ cứng vững hệ thống công nghệ

29

2


2.4.3. Ảnh hưởng do mòn dao

29

2.4.4. Ảnh hưởng do sai số của phôi

30

2.4.5. Ảnh hưởng do độ chính xác và tình trạng mòn của máy, đồ gá, dao

31

2.4.5.1. Ảnh hưởng của máy

31

2.4.5.2. Ảnh hưởng của đồ gá

31

2.4.5.3. Ảnh hưởng của dụng cụ cắt

32

2.4.6. Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của máy, dao và chi tiết gia công

33

2.4.6.1. Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của máy

33

2.4.6.2. Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của dao cắt

33

2.4.6.3. Ảnh hưởng do biến dạng nhiệt của chi tiết gia công

33

2.4.6.4. Ảnh hưởng do rung động phát sinh trong quá trình cắt

34

2.4.6.5. Ảnh hưởng do chọn chuẩn và gá đặt chi tiết gia công gây ra

35

2.4.6.6. Ảnh hưởng do phương pháp đo và dụng cụ đo gây ra

35

2.5. Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt
2.5.1. Các phương pháp cắt gọt sử dụng dụng cụ cắt có thông số hình
học
2.5.2. Mài và các phương pháp gia công sử dụng hạt mài
2.5.3. Các phương pháp gia công truyền thống có sử dụng máy CNC và
dụng cụ cắt tiên tiến
2.5.4. Các phương pháp gia công tiên tiến: Công nghệ Na-nô
2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công cao tốc

35
35
36
36
37
37

2.6.1. Ảnh hưởng của lực cắt đến Ra, Rz

37

2.6.2. Ảnh hưởng của mức độ biến dạng dẻo đến Ra, Rz

40

2.6.3. Ảnh hưởng của nhiệt cắt và độ mòn dao đến Ra, Rz

44

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THỰC
NGHIỆM
3.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm

47
47

3.1.1 Các thông số công nghệ của vật liệu gia công

3


3.1.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm

47

3.2 Các thông số thí nghiệm

48

3.2.1 Máy thí nghiệm

48

3.2.2 Mẫu thí nghiệm

50

3.2.3 Dụng cụ cắt

50

3.2.4 Sơ đồ gia công

51

3.2.4 Đo độ bóng chi tiết sau gia công

51

3.3. Thực hiện các thí nghiệm và thu thập số liệu

53

3.4. Kết luận

55

Chương 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

57

4.1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt V(m/ph)

57

4.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao S(mm/vg)

64

4.3. Kết luận

75

KẾT LUẬN CHUNG

78

a) Kết luận chung

78

b) Hướng nghiên cứu tiếp theo

78

LỜI CẢM ƠN

79

TÀI LIỆU THAM KHẢO

80

4

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn.
Theo xu thế chung của sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại trên Thế giới.
Việt Nam chúng ta có những bước phát triển rất đáng kể, đặc biệt là trong công
nghiệp. Nhưng so với nền công nghiệp của các nước phát triển trên thế giới chúng
ta còn nhiều thua kém. Chính vì vậy việc đào tạo những trí thức trẻ cho tương lai là
một việc hết sức quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu cần thiết của nền công nghiệp
hiện đại.
Yêu cầu cấp thiết của cơ khí nước ta hiện nay là dần dần nội địa hoá các sản
phẩm cơ khí chính xác nhằm đưa công nghệ kỹ thuật Việt Nam đuổi kịp với sự
phát triển của các nước trong khu vực. Để làm được điều này thì việc nghiên cứu,
ứng dụng các phương pháp gia công tiên tiến vào sản xuất là một việc cấp thiết.
Việc gia công các chi tiết có các thông số kỹ thuật phức tạp bằng các máy móc
và kỹ thuật cổ điển là rất khó khăn, đạt độ chính xác thấp và chỉ gia công được các
bề mặt có độ phức tạp, chính xác không cao. Ngày nay, cùng với sự phát triển của
các ngành khoa học kỹ thuật hiện đại: Công nghệ hàng không, chế tạo ôtô, khuôn
mẫu, quân sự..., thì xuất hiện càng nhiều các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao. Việc
ứng dụng các kỹ thuật và công nghệ mới như máy công cụ gia công cao tốc CNC,
công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình
học phức tạp được dễ dàng hơn, đạt độ chính xác cao hơn. Cùng với đó, con người
ngày càng hoàn thiện các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đó. Nhiều đề tài nghiên cứu,
báo cáo khoa học về các khía cạnh, các vấn đề trong quá trình gia công các chi tiết
có thông số kỹ thuật phức tạp đã được trình bày trong các tạp chí chuyên ngành.
Với mục đích góp phần nâng cao độ chính xác gia công.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn.
2.1. Ý nghĩa khoa học.
Gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp được áp dụng nhiều trên các máy
CNC. Nó giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp trở nên

đơn giản hơn, đạt độ chính xác cao hơn. Phương pháp gia công mới này được ứng

5


dụng trong nhiều lĩnh vực như: Y học, khuôn mẫu, công nghệ hàng không, chế tạo ô
tô, quân sự, mĩ thuật,......Tuy nhiên, trong quá trình gia công nó còn chịu ảnh hưởng
của nhiều yếu tố sai số khác nhau: Sai số phép đo, sai số toán học, sai số gia
công,..dẫn đến chi tiết có độ chính xác cao.
Trước đây những chi tiết có độ chính xác cao và có các thông số phức tạp sau
khi nhiệt luyện đều phải qua công đoạn mài, mài khôn. Những công đoạn này thiếu
tính linh hoạt và tốn nhiều thời gian. Một hạn chế nữa là chi phí cho dung dịch trơn
nguội của các công đoạn mài khá cao. Những lý do trên làm tăng chi phí cho các
công đoạn gia công chính xác. Mặt khác chất thải ra khi mài ngày càng gây ô nhiễm
môi trường, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ
gia công chi tiết
2.2. Ý nghĩa thực tiễn.
Nghiên cứu độ chính xác gia công các chi tiết trên máy tiện cao tốc CNC, góp
phần nâng cao chất lượng sản phẩm. Đặc biệt với thép không gỉ SUS304 là vật liệu
có độ bền cao, dãn nhiệt kém, tốc độ biến cứng nhanh và độ dẻo dai cao.
Như vậy khi gia công vật liệu SUS304 phoi bóc ra tạo áp lực lớn lên mũi dao,
kết hợp với nhiệt độ cao tại bề mặt phoi và mũi dao, làm một phần kim loại của
phoi bị dính lên dao. Ngoài ra, sự bết dính lại được thúc đẩy do thép không gỉ dẫn
nhiệt kém làm nhiệt độ chỗ tiếp xúc phoi và mũi dao tăng cao. Đặc biệt là khi thực
hiện nguyên công mài, phoi kim loại bóc ra bết dính lên bề mặt đá mài làm tăng ma
sát và dẫn đến hiện tượng làm cùn đá mài. Hiện nay việc thực hiện nguyên công
mài đối với thép không gỉ đang gạp nhiều khó khăn, trong khi đòi hỏi chất lượng
chế tạo các chi tiết đó phải có độ chính xác cao để đảm bảo các mối lắp ghép cơ khí.
Do đó một yêu cầu đặt ra là liệu có thể thay thế nguyên công mài bằng nguyên công
tiện trên máy CNC mà vẫn đảm bảo được cấp chính xác cần gia công không?

Do vậy trong quá trình thực hiện, tôi đã chọn đề tài luận văn làm tốt nghiệp:
“Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác gia công
khi tiện cao tốc vật liệu SUS304 trên máy tiện CNC”.
Nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

6


Chương 1- Tổng quan về nghiên cứu liên quan đến đề tài trong và ngoài nước và
giới hạn của đề tài.
Chương 2- Độ chính xác gia công và các yếu tố ảnh hưởng.
Chương 3- Xây dựng mô hình thực nghiệm và thực nghiệm.
Chương 4- Kết quả thực nghiệm và thảo luận.

7


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ
NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
1.1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MÁY GIA CÔNG CAO TỐC
1.1.1 Lịch sử phát triển
Năm 2001 hãng Fanuc và một hãng khác thiết kế, chế tạo thành công hệ
điều khiển với độ chính xác Nano cho máy công cụ gia công cao tốc CNC.
Gia công cao tốc (High Speed Machining) là một trong những công nghệ gia công
hiện đại. So với phương pháp cắt gọt truyền thống thì gia công cao tốc có khả năng
nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết gia công và cũng có thể
giảm chi phí sản xuất và thời gian gia công. Ngoài thuật ngữ (High Speed
Machining) nói trên còn có các thuật ngữ sau cũng ám chỉ gia công cao tốc: HighVelocity Machining, High Performance Machining, High Efficiency Machining,
High Agile Machining và High Productivity Machining. Theo cách hiểu thông

thường thì (High Speed Machining) gia công với tốc độ trục chính rất cao nhưng tốc
độ chạy dao thấp còn High Efficiency Machining thì có tốc độ chạy dao cao nhưng
tốc độ cắt trung bình. (Hình 1.1).

Hình 1.1. Máy Emco Turn 332 Mcplus của hãng Emco (Áo)

8


Gia công cao tốc (high Speed Machining) đạt tốc độ cắt từ 5÷10 lần tốc độ cắt
truyền thống thì nhiệt độ của phoi sẽ giảm. 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 quay của trục chính cao.

•

Gia công với lượng ăn dao cao.

•

Gia công với tốc độ cắt cao và lượng ăn dao cao.

•

Gia công với năng suất cao.
Thực tế thì gia công cao tốc không đơn giản là cắt với tốc độ cao. Nó phải được

xem như là một quá trình gia công mà ở đó các bước gia công được thực hiện bằng
những phương pháp và thiết bị gia công rất cụ thể. Gia công cao tốc cũng không
phải là gia công với tốc độ trục chính cao bởi vì có nhiều ứng dụng gia công cao tốc
được thực hiện với máy có tốc độ bình thường. Gia công cao tốc thường được sử
dụng khi gia công tinh thép đã tôi với việc sử dụng cả hai yếu tố là tốc độ cao và
lượng ăn dao cao. Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác
nhau (hình 1.2 Nguồn ).

Hình 1.2. Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu
Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy cao
(high spindle speed), lượng ăn dao lớn (high feed), hệ điều khiển CNC cao cấp và

9


hơn thế nữa. Tốc độ trục chính khoảng 8000 vg/ph 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 40.000 vg /ph và hơn thế nữa. Tốc độ ăn dao trung bình
ít nhất là 10m/s trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên đến 40m/ph và cao hơn, công
suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW.
Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc
Gia công cao tốc đã được áp dụng trên các trung tâm gia công truyền thống với tùy
chọn tốc độ trục chính cao.
Gần đây các nhà chế tạo máy công cụ đã thiết kế, chế tạo và phát triển các dòng
máy dùng cho gia công cao tốc. Để thực hiện được gia công cao tốc thì hệ thống
dao và máy cũng có những yêu cầu đặc biệt, cụ thể như sau:
•

Sử dụng ổ đỡ có tần số quay vòng cao cho trục chính.

•

Công suất động cơ trục chính cao.

•

Trục chính phải có độ cứng vững và độ ổn định nhiệt cao.

•

Truyền động chạy dao động.

•

Điều khiển động truyền động.

•

Cấu trúc máy có độ cứng vững cao.

•

Hệ thống làm lạnh áp suất cao.

•

Thiết bị kẹp chặt dao đạt độ đồng tâm cao và cân bằng tốt.

•

Dao được làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao…

•

Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc như có khả
năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS, có chức năng look
ahead.

•

Ưu điểm của gia công cao tốc
So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ưu điểm nổi bật. Nó
có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công,
tùy trường hợp.

Một số ưu điểm khác của gia công cao tốc như sau:
•

Tốc độ bóc vật liệu cao.

10


•

Chất lượng bề mặt gia công tốt.

•

Độ chính xác hình dáng cao.

•

Có khả năng gia công được các gân mỏng.

•

Giảm việc tạo ba via.

•

Giảm hư hại bề mặt gia công.

•

Việc áp dụng công nghệ tiện cao tốc để gia công lần cuối các chi tiết mang lại
những lợi ích sau:
- Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm.
- Giảm chi phí đầu tư thiết bị.
- Tăng độ chính xác.
- Đạt độ bóng bề mặt cao.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 ÷ 4 lần), nâng cao năng suất gia
công.
- Gia công được các contour phức tạp.
- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá.
Phần lớn các chi tiết trong công nghiệp có dạng tròn xoay. Dạng chi tiết này chủ

yếu được gia công trên máy tiện máy truyền thống và máy gia công cao tốc CNC
cho nên các máy tiện, nhất là trung tâm tiện cao tốc CNC, đóng một vai trò rất quan
trọng. Sự phát triển của các trung tâm tiện CNC theo sát sự phát triển của các trung
tâm gia công CNC (CNC machining center). Sự thay đổi cơ bản đáng chú ý nhất ở
các trung tâm tiện là sử dụng băng máy nghiêng, nhờ đó mà các thiết bị khác được
bố trí dễ dàng hơn trong vùng gia công. (Hình 1.3)

Hình 1.3. Đầu rơ-vôn-ve với 8 hoặc 12 dao

11


Hầu hết các trung tâm tiện đều có đầu rơ-vôn-ve với 8 hoặc 12 dao với nhiều kiểu
khác nhau, có một hoặc nhiều trục chính được bố trí theo phương thẳng đứng hoặc
nằm ngang. Các trung tâm tiện cao tốc CNC được phân thành các nhóm cơ bản sau:
•

Trung tâm tiện phay (X, Z, C).

•

Trung tâm tiện phay (X, Z, C).

•

Trung tâm tiện nhiều trục (X, Z, C, Y).

•

Trung tâm tiện đứng.

•

Trung tâm tiện có hai đầu rơ -von -ve.

•

Trung tâm tiện nhiều trục chính.

Sau đây tôi xin sơ lược giới thiệu ba loại trong số các dòng máy nói trên
- Trung tâm tiện phay (X, Z, C)
Sự phát triển chủ yếu ở các trung tâm tiện CNC là sự phát triển của trung tâm tiện phay. Nhờ sự tích hợp khả năng phay vào máy tiện, khả năng công nghệ của dòng
máy này được gia tăng đáng kể. Nhiều loại chi tiết tròn xoay có các lỗ, rãnh và mặt
phẳng trên bề mặt. Thông thường, các chi tiết này sau khi được tiện xong phải được
chuyển đến máy khoan hoặc máy phay để thực hiện các công đoạn tiếp theo như
khoan lỗ, phay rãnh, phay mặt phẳng Việc sử dụng nhiều máy công cụ khác nhau để
gia công chi tiết sẽ tăng sai số gá đặt do chi tiết phải được gá nhiều lần trên các máy
khác nhau. Hơn nữa chúng có thể làm chậm trễ trong việc lập kế hoạch gia công
trên các máy, việc vận chuyển, lưu kho, Nếu gia công trên trung tâm tiện-phay thì
có thể chỉ cần một lần gá đặt vẫn có thể gia công hết các bề mặt. Điều này làm nâng
cao năng suất gia công và nâng cao độ chính xác

Hình 1.4. Đầu rơ-vôn-ve với động cơ dẫn động dao phay ()

12


Để thực hiện nguyên công phay trên máy tiện người ta sẽ cho trục chính đứng yên.
Thay vào đó dao sẽ quay (trên đầu rơ-vôn-ve hình 1.4). Để thực hiện được công
việc này thì đầu rơ-vôn-ve được trang bị một động cơ riêng. Trục chính của máy

được phân độ (quay) một cách hợp lý để gia công được các biên dạng cần thiết. Đây
được gọi là trục C. Trên hình 1.4 biểu diễn đầu rơ-vôn-ve của trung tâm tiện-phay
với động cơ dẫn động dao phay.
- Trung tâm tiện có hai đầu rơ-vôn-ve

Hình 1.5. Trung tâm tiện có hai đầu rơ-vôn-ve (Nguồn )
Trên hình 1.5 là trung tâm tiện với hai đầu rơ-vôn-ve. Hai đầu rơ-vôn-ve này có
chuyển động độc lập nhau. Ưu điểm chính của dòng máy này là nó có khả năng gia
công hai dao cùng một lúc. Khi gia công hai dao đồng thời thì lượng phoi sinh ra
khá lớn, do đó cần phải lấy phoi đi một cách cẩn thận
- Trung tâm tiện cao tốc CNC Đứng

Hình 1. 6. Trung tâm tiện đứng V160 của hãng INDEX Corp ()
Đối với các chi tiết có đường kính lớn thì rất khó gia công trên các máy có trục nằm
ngang. Trong trường hợp này người ta sử dụng trung tâm tiện đứng để thay thế.

13


Trung tâm tiện đứng là bước phát triển máy tiện đứng theo hướng gia công hoàn
thành chi tiết chỉ trong một lần gá đặt. Chúng thường có một trục dịch chuyển theo
phương thẳng đứng. Trục này mang một đầu phay hoặc là một sự kết hợp của đầu
trượt với một cổng di động. Đầu trượt này có thể kết hợp một đầu phay hoặc các
dao tiện. Trung tâm tiện đứng có thể sử dụng bàn máy quay tròn quanh trục thẳng
đứng và các phôi nặng sẽ được lắp trên bàn máy đó. Cũng có loại trung tâm tiện
đứng mà chi tiết được lắp trên mâm cặp của trục chính ở phía trên còn đầu rơ -vônve ở phía dưới. Loại này dùng để gia công chi tiết cỡ nhỏ hơn so với trung tâm tiện
đứng truyền thống. Trên hình 1.6 là trung tâm tiện đứng kiểu này.
Với việc tích hợp nhiều tính năng, một số hãng đã phát triển các trung tâm tiện
đứng thành các máy đa chức năng. Các máy này có thể thực hiện được các nguyên
công như tiện, khoan, phay, mài, cắt răng, Ví dụ điển hình cho loại máy này là dòng

máy trung tâm sản xuất đứng đa chức năng của hãng EMAG. Dòng máy này được
thiết kế rất linh hoạt để cung cấp cho các nhu cầu gia công rất khác nhau của các chi
tiết ngành ô tô. Máy này có hai trục chính nên có thể gia công hai chi tiết cùng lúc
Hiện nay gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) được xem là một
trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy. Thực ra gia công cao tốc không
mới, nó đã được thực hiên cách đây hơn 30 năm (máy gia công cao tốc ASMC hãng
QUANTUM - hình 1.7).

Hình 1.7. Máy gia công cao tốc ASMC (hãng QUANTUM)

14


Gần đây, với sự phát triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những
công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC, hệ
thống CAM, thì gia công cao tốc ngày càng được quan tâm hơn. Các ứng dụng chủ
yếu thúc đẩy công nghệ theo hướng gia công cao tốc là: Chế tạo khuôn mẫu, chế tạo
các chi tiết ngành ô tô và gia công các chi tiết ngành hàng không được gia công trên
náy gia công cao tốc
Rất khó để nêu lên một định nghĩa chung về gia công cao tốc. Tốc độ gia công
thì rất cụ thể cho từng ứng dụng. Ví dụ tốc độ gia công cao tốc khi gia công thép
vào khoảng 800m/ph nhưng giá trị này vẫn chưa phải là giá trị tốc độ gia công cao
tốc khi gia công gang. Nói chung, để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố
sau: Tốc độ cắt cao, tốc độ quay của trục chính cao, lượng ăn dao cao, tốc độ cắt
cao, lượng ăn dao cao và năng suất cao. Tốt nhất là nói rằng gia công cao tốc có
nghĩa là cắt gọt vật liệu nhanh hơn bình thường cho những công đoạn cụ thể. Bảng
sau trình bày một so sánh điển hình giữa gia công cao tốc và gia công thông thường.
Bảng: So sánh gia công cao tốc và gia công thường (Nguồn )
Các thông số

Gia công thường

Gia công cao tốc

Tốc độ trục chính, vg/ph

4.000

8.000 ÷ 50.000

Tốc độc chạy dao trên các trục, mm/ph

10.000

2.500 ÷ 60.000

Tốc độ chạy dao nhanh, mm/ph

20.000

20.000 ÷ 60.000

Gia tốc, g

-

0,5 ÷ 2,0

Trong một số trường hợp người ta cũng có thể sử dụng máy truyền thống để gia
công cao tốc. Tuy nhiên, nói chung, để thực hiện được gia công cao tốc thì máy

cũng có những yêu cầu đặc biệt. Sau đây là một số yêu cầu cụ thể:
•

Động cơ dẫn động trục chính

Công suất của động cơ trục chính phải đủ lớn vì cần có một lượng công suất đáng
kể để quay trục chính ở tốc độ cao.
•

Trục chính và ổ đỡ trục chính

Độ cứng vững tĩnh và động của trục chính phải cao.

15


Trục chính phải có độ cứng vững và độ ổn định nhiệt cao. Các ổ đỡ phải có tần số
quay vòng cao. Kích thước ổ, kiểu ổ, số ổ, tải, kiểu bôi trơn ổ và vật liệu làm ổ yêu
cầu phải được kiểm tra gắt gao cho máy công cụ gia công cao tốc. Kiểu ổ đỡ lai
hoặc hoàn toàn bằng ceramic cũng có thể cần thiết cho gia công cao tốc.
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 khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc

Bộ điều khiển CNC phải có khả năng xử lý đủ nhanh. Xu hướng phát triển các bộ

điều khiển CNC là chúng phải giảm được thời gian xử lý các khối lệnh và tăng khả
năng look ahead, có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS.
Hệ thống máy phải chắc chắn và độ cứng vững cao khung máy và các hệ thống hỗ
trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống nước làm mát, hệ thống kẹp chặt, phải có
độ cững vững cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia công cao tốc. Thiết bị che
chắn máy và các cửa sổ phải được làm bền nhằm đảm bảo an toàn khi có sự cố về
dao. Vấn đề an toàn phải được đặt lên hàng đầu khi gia công cao tốc.
•

Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao có đồng tâm cao và cân bằng tốt.

Khi số vòng quay tăng thì lực li tâm sẽ tăng bình phương với vận tốc quay |F|
= mw2r. Sự mất cân bằng trong hệ thống cũng như sự không đồng tâm sẽ làm gia
tăng lực li tâm, gây rung động máy. Do đó hệ thống gá dao và kẹp chặt dao, trục
chính phải có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt trong gia công cao tốc.
•

Hệ thống cấp dung dịch trơn nguội

Gia công cao tốc yêu cầu phải có hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội áp suất
cao để có thể làm mát dao một cách hiệu quả. Ở tốc độ quay cao thì xung quanh dao
cắt xuất hiện vùng gió xoáy nên phương pháp làm nguội truyền thống không thể
làm nguội hiệu quả. Việc thay dao nhanh yêu cầu dung dịch trơn nguội phải sạch
hơn so với thông thường nên hệ thống cấp dung dịch trơn nguội phải có khả năng

16


lọc tốt. Trong nhiều trường hợp người ta thích sử dụng gia công cao tốc khô để loại
trừ các rắc rối do hệ thông cấp dung dịch trơn nguội không đạt yêu cầu.

Nhu cầu về gia công cao tốc rất rộng lớn và đa dạng do đó hiện nay có nhiều kiểu
máy khác nhau cho công nghệ này.
Gia công tốc độ cao (High Speed Machining-HSM) là một trong những phương
pháp gia công hiện đại. So với các phương pháp cắt gọt truyền thống thì gia công
tốc độ cao giúp nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết gia công. Về
cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp giữa tốc độ cắt cao và lượng ăn dao lớn.
Nhiệt tập trung ở mũi cắt lớn là nhân tố giúp gia công tốc độ cao có các đặc tính kỹ
thuật vượt trội so với các phương pháp gia công truyền thống như ít lẹo dao, lực cắt
bé, chất lượng bề mặt gia công lớn. Tốc độ trục chính trong gia tốc độ cao có thể đạt
40.000 vg/ph. Tốc độ ăn dao thấp nhất 10 m/s. Ngoài ra các yếu tố khác như chế độ
gia công, vật liệu dao cắt cũng có ảnh hưởng lớn đến quá trình gia công tốc độ cao.
1.1.2 Hiệu quả kinh tế.
Hiệu quả kinh tế của máy gia công cao tốc CNC thể hiện qua các khía cạnh sau:
- Khi chi tiết có độ phức tạp cao, lựa chọn phương pháp gia công phù hợp nhất là
gia công trên máy gia công cao tốc CNC. Bởi vì gia công trên máy gia công cao tốc
CNC rút ngắn thời gian gia công, đạt độ chính xác yêu cầu và giá thành rẻ hơn so
với khi gia công trên máy công cụ vạn năng và máy tự động cứng.
- Khả năng thay đổi dạng sản phẩm chế tạo nhanh vì chỉ cần thay đổi chương trình
điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm đồ gá chuyên dùng. Máy
điều khiển số đáp ứng được tính linh hoạt của sản xuất.
- Chi phí cho sản xuất dụng cụ cắt cho máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn so với
dạng máy khác vì máy gia công cao tốc CNC được trang bị tính năng đánh giá
lượng mòn dụng cụ và tự động điều chỉnh máy để bù lượng mòn.
- Máy gia công cao tốc CNC có tính năng tự động kiểm tra chất lượng ngay trong
quá trình gia công mà các máy thông thường không có khả năng này. Do vậy giảm
đáng kể tổn phí cho kiểm tra chất lượng chi tiết gia công.

17

- Thời gian gia công chi tiết trên máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn so với máy
vạn năng do tập trung nguyên công cao.
- Máy gia công cao tốc không cần dùng các đồ gá chuyên dùng để gá kẹp phôi.
1.2. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
Việc ứng dụng các kỹ thuật và công nghệ mới như máy công cụ gia công cao tốc
CNC, công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng
hình học phức tạp được dễ dàng hơn, đạt độ chính xác cao hơn. Cùng với đó, con
người ngày càng hoàn thiện các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến đó. Nhiều đề tài
nghiên cứu, báo cáo khoa học về các khía cạnh, các vấn đề trong quá trình gia công
các chi tiết có thông số kỹ thuật phức tạp đã được trình bày trong các tạp chí cơ khí.
Thép là một loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong thực tế, đặc biệt là thép
không gỉ SUS 304. Loại vật liệu này đã, đang và sẽ được sử dụng rất rộng rãi trong
công nghiệp và trong đời sống hàng ngày, trong các nhà máy hoá chất, công nghiệp
đóng tàu, chế tạo máy bay… Vì thế, cần thiết phải nghiên cứu về tính gia công để
xác định chế độ cắt và sử dụng loại vật liệu này hiệu quả hơn.
1.2.2. Giới hạn nghiên cứu của luận văn: Gồm các nội dung sau.
- Nghiên cứu tính gia công của thép không gỉ SUS304
- Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ cắt đến ( Ra , Rz)
- Nghiên cứu ảnh hưởng lượng chạy dao đến ( Ra , Rz)
- Nghiên cứu ảnh hưởng chiều sâu cắt đến ( Ra , Rz)
1.3. KẾT LUẬN
Qua nghiên cứu tổng quan về quá trình gia công cao tốc, tìm hiểu các công trình
nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Kết hợp với việc nghiên cứu sự ảnh hưởng
các thông số công nghệ khi gia công cao tốc đến độ chính xác gia công.
Gia công cao tốc trên máy tiện CNC có một vị trí quan trọng trong ngành cơ khí
chính xác do khả năng gia công tốc độ cao những vật liệu có độ cứng, độ bền cao,
cho độ chính xác và độ bóng bề mặt cao có thể đạt cấp ∇8.

18

Gia công cao tốc trên máy tiện CNC được chọn là nguyên công gia công tinh lần
cuối vì vậy chất lượng bề mặt chi tiết gia công có ảnh hưởng quan trọng đến khả
năng làm việc sau này của chi tiết máy. Chất lượng bề mặt thường được chọn làm
chỉ tiêu để tối ưu hóa quá trình gia công tinh.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình gia công
tiện cao tốc tới độ chính xác gia công là cơ sở để tìm ra các biện pháp nâng cao chất
lượng bề mặt chi tiết khi gia công tiện cao tốc.
Các thông số công nghệ như lượng chạy dao (s), tốc độ cắt (V) và chiều sâu cắt
(t) có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao tốc. Khi đã
nghiên cứu, xác định được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình
tiện cao tốc đến độ chính xác gia công chúng ta có thể lựa chọn cho các thông số
các giá trị tối ưu. Và chất lượng bề mặt chi tiết sẽ được nâng cao.
Việc nâng cao chất lượng chi tiết khi gia công tiện cao tốc sẽ dẫn đến một hệ quả
là các máy móc, thiết bị gia công cao tốc đó sẽ đạt độ chính xác cao hơn, quá trình
hoạt động tốt hơn.
Công nghiệp phát triển và yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao. Do
đó, việc nghiên cứu làm sao để sản phẩm làm ra đạt chất lượng tốt nhất, hiệu quả
kinh tế cao nhất là một việc làm không thể thiếu. Một trong số những nghiên cứu
quan trọng đó chính là nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi gia
công trên máy tiện cao tốc CNC đến chất lượng bề mặt chi tiết. Với kết quả của
nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho quá trình tối ưu hóa các thông số công nghệ khi gia
công trên máy tiện cao tốc CNC.

19


CHƯƠNG 2
ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

2.1. Khái niệm và định nghĩa
Các chi tiết máy khi được thiết kế đều có các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo tính
năng làm việc của chúng. Đó có thể là độ chính xác về kích thước hay vị trí tương
quan. Tuy nhiên, đó mới chỉ là trên bãn vẽ thiết kế. Khi gia công, việc đảm bảo các
yêu cầu kỹ thuật của chi tiết được ghi trên bản vẽ là rất cần thiết. Thực tế là giữa chi
tiết được gia công với chi tiết lý tưởng trên bản vẽ có những sai số khác nhau, và
các sai số đó được gọi là sai số gia công.
Định nghĩa về độ chính xác gia công: Là mức độ giống nhau giữa chi tiết lý
tưởng trên bản vẽ thiết kế và chi tiết thực được gia công
Thực tế, không thể chế tạo được chi tiết máy hoàn toàn tuyệt đối chính xác, vì vậy
người ta dùng giá trị sai lệch của nó để đánh giá độ chính xác gia công.
Các dạng sai số: Được thể hiện theo sơ đồ (hình 2.1)
- Sai số trong từng chi tiết
- Sai số trong loạt sản phẩm

Hình 2.1. Các dạng sai số
Độ chính xác của chi tiết máy được đánh giá theo các yếu tố sau đây:

20


- Độ chính xác kích thước
Đó là độ chính xác về kích thước thẳng hoặc kích thước góc. Độ chính xác kích
thước được đánh giá bằng sai số của kích thước thực so với kích thước lý tưởng
được ghi trên bản vẽ.
- Độ chính xác hình dáng hình học
Đó là mức độ phù hợp giữa hình dáng hình học và hình dáng hình học lý tưởng
của chi tiết. Ví dụ, khi gia công chi tiết là mặt phẳng, độ chính xác hình dáng hình
học được đáng giá qua độ phẳng của nó so với độ phẳng lý tưởng.
- Độ chính xác vị trí tương quan.

Độ chính xác này thực chất là sự xoay đi một góc nào đó của bề mặt này so vơi
bề mặt kia ( dùng làm chuẩn). Độ chính xác vị trí tương quan thường được ghi
thành một điều điện kỹ thuật trên bản vẽ như: Độ song song, vuông góc, đồng tâm
v.v....
Nói chung, độ chính xác gia công là chỉ tiêu khó đạt nhất và gây tốn kém nhất kể
cả trong quá trình xác lập cũng như trong quá trình chế tạo. Độ chính xác gia công
là một yếu tố rất quan trọng trong gia công cơ khí, nó phản ánh trình độ gia công
của một nền sản xuất cơ khí. Tuy niên, việc nâng cao độ chính xác gia công là điều
rất cần thiết vì điều đó sẽ làm nâng cao chất lượng sử dụng của chi tiết máy, làm
giảm thời gian lắp ráp sản phẩm v.v. Tuy nhiên, cũng cần phải hiểu rằng, việc nâng
cao độ chính xác gia công đồng nghĩa với việc giá thành chi tiết sẽ bị nâng cao như
đựơc chỉ ra trong hình 2.2.
Giá thành

Dung sai chế tạo
Hình 2.2. Mối quan hệ giữa độ chính xác gia công và giá thành sản phẩm

21


Độ chính xác gia công trong điều kiện sản xuất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, do
đó người ta thường gia công chi tiết với “độ chính xác kinh tế” chứ không phải “ độ
chính xác có thể đạt tới “Độ chính xác có thể đạt tới” là độ chính xác đạt được trong
những điều kiện đặc biệt không tính đến giá thành gia công (máy chính xác, đồ gá
tốt, công nhân có tay nghề cao,..v.v…)

C

3

2

I

1

II

III

δ
Hình 2.3. Mối quan hệ giữa các phương pháp gia công và giá thành
Hình 2.3. Mô tả mối quan hệ giữa giá thành gia công (C) và độ chính xác (sai
số: δ) của các phương pháp cắt gọt khác nhau. Đường 1 mô tả quan hệ giữa C và δ
khi gia công thô, đường 2- khi gia công tinh và đường 3 - khi mài.
Ta thấy đường cong 2 cắt cả hai đường cong 1 và 3, tạo ra 3 vùng khác nhau là
vùng I, vùng II và vùng III. Như vậy,vùng I có thể gọi là độ chính xác có thể đạt tới
(độ chính xác cao nhất), vùng II là độ chính xác kinh tế còn vùng III là độ chính xác
đảm bảo.Ta có thể phân tích các đường cong này như sau: Ví dụ, bằng phương pháp
tiện tinh (đường cong 2) có thể đạt được mức độ chính xác ở vùng I nhưng giá
thánh C cao, vì vậy bằng phương pháp tiện cao tốc cho ta giá thành hạ hơn( đường
cong 3). Độ chính xác ở vùng III có thể đạt được bằng tiện tốc độ cao (tinh) ( đường
cong 2) nhưng tốt hơn là dùng phương pháp gia công thô ( đường cong 1). Để đạt
độ chính xác ở vùng II tốt nhất là dùng phương pháp tiện tốc độ cao vì có giá thành
hạ nhất.

22


2.2. Các phương pháp đạt độ chính xác gia công trên máy công cụ

2.2.1. Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt
Bản chất của phương pháp này là sau khi gá phôi trên máy, người công nhân đưa
dao vào và cắt đi một lớp phoi trên một đoạn ngắn l sau đó dừng máy để kiểm tra
kích thước. Nếu chưa đạt được kích thước thì lại điều chỉnh ăn dao sâu thêm rồi lại
cắt thử và kiểm tra. Quá trình đó được lặp đi lặp lại cho đến khi đạt được kích thước
thì mới gia công trên toàn bộ chiều dài L (Hình 2.4)

Hình 2.4. Phương pháp cắt thử
Trước khi cắt thử, thường phải lấy dấu để người thợ không làm hỏng phôi khi cho
dao ăn sâu hơn mức cho phép ở lần cắt thử đầu tiên
Phương pháp cắt thử có ưu điểm:
-

Trên máy gia công không chính xác vẫn có thể đạt kích thước gia công chính
xác cao nhờ vào tay nghề người thợ

-

Loại trừ ảnh hưởng của mòn dao, do dao luôn được điều chỉnh đúng kích thước.

-

Có thể tận dụng được phôi không chính xác do có quá trình rà và vạch dấu

-

Không cần có đồ gá phức tạp

Tuy nhiên phương pháp này vẫn có những nhược điểm sau:

23


-

Độ chính xác gia công bị giới hạn bởi bề dày lớp phoi bé nhất có thể cắt được.
Với dao tiện hợp kim cứng mài bóng lưỡi cắt, bề dày bé nhất có thể cắt được
0.005 mm. Với dao đã mòn bề dày bé nhất có thể cắt được từ 0.02÷0.05 mm.
Người thợ không thể điều chỉnh lưỡi cắt hớt đi một kích thước bé hơn chiều dày
phoi nói trên, do đó không thể đảm bảo được sai số bé hơn chiều dày lớp phoi.

-

Người thợ phải tập trung khi gia công nên dễ mệt mỏi, dễ phát sinh phế phẩm

-

Do phải cắt thử nhiều lần nên năng suất thấp

-

Trình độ tay nghề người thợ yêu cầu cao

-

Năng suất thấp, tay nghề người thợ yêu cầu cao nên giá thành gia công cao
Phương pháp này chỉ sử dụng trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất loạt nhỏ, trong

công nghệ sửa chữa, chế thử. Ngoài ra, khi gia công tinh như mài vẫn dùng phương
pháp cắt thử trong sản xuất hàng loạt để loại trừ ảnh hưởng do mòn đá.

2.2.2. Phương pháp tự động đạt kích thước
Ở phương pháp này, dụng cụ cắt có vị trí chính xác so với chi tiết gia công. Hay
nói cách khác, chi tiết gia công cũng phải có vị trí xác định so với dụng cụ cắt, vị trí
này được đảm bảo nhờ các cơ cấu định vị của đồ gá, còn đồ gá lại có vị trí xác định
trên bàn máy nhờ các đồ định vị riêng.

Hình 2.5. Phương pháp tự động đạt kích thước trên máy phay.

24