Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ và dao đến độ nhám bề mặt điện cực khi phay cao tốc bằng máy GSFD 3540

1

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên tôi xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. NGUYỄN VĂN
VINH, ngƣời hƣớng dẫn khoa học đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình làm
luận văn. Với sự hƣớng dẫn và định hƣớng, những gợi ý và ủng hộ thƣờng xuyên
kịp thời của thầy đã động viên tác giả hoàn thành luận văn. Trong quá trình thực
hiện thầy đã đƣa ra những luận điểm, luận cứ có tính tổng hợp sâu sắc và gợi mở
cho những hƣớng nghiên cứu tiếp theo.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới những ngƣời thân trong gia
đình. Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn Cơ khí chính xác và Quang
học, ban lãnh đạo Viện Cơ khí, bạn bè và đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ
tôi trong qúa trình nghiên cứu.
Hà nội, ngày

tháng 4 năm 2012
Học viên

Đỗ Thị Thúy Ánh


2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng những nội dung trong luận văn này là trung thực và là
công trình nghiên cứu của tôi.

Hà nội, ngày tháng 4 năm 2012
Học viên

Đỗ Thị Thúy Ánh

3

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay ngành công nghiệp đang phải đối đầu với những thách thức to lớn
và cạnh tranh quyết liệt. Như chúng ta biết, Việt Nam đã gia nhập tổ chức thương
mại mậu dịch thế giới (WTO), vì vậy, đòi hỏi phải đưa ra chiến lược phát triển công
nghệ và khoa học kỹ thuật để có thể cạnh tranh với các nước trên thế giới.
Các nhà sản xuất phải tìm cách giảm thời gian chế tạo, tăng chất lượng sản
phẩm, nâng cao năng xuất và linh hoạt hoá sản xuất bằng việc tăng cường áp dụng
tự động hoá với các phương pháp tiên tiến. Ngày nay ở nước ta đang có xu hướng
đưa công nghệ cao tới từng các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
Cùng với sự phát triển của xã hội, việc nghiên cứu khoa học trên các máy
CNC ngày càng được chú trọng nhằm đạt được năng suất gia công cao nhất và
chất lượng gia công tốt nhất. Vì vậy việc nghiên cứu và tìm quy luật các mối liên hệ
của các yếu tố trong quá trình gia công là hết sức cần thiết. Muốn đạt được những
kết quả đó cần phải đầu tư thiết bị, thời gian và công sức. Vì thời gian và điều kiện
thiết bị có hạn, bản luận văn chỉ nghiên cứu 1 chuyên đề : “ Khảo sát ảnh hưởng
của các thông số công nghệ và dao đến độ nhám bề mặt điện cực khi phay cao
tốc bằng máy GSFD 3540”. Đây là một dạng gia công được sử dụng nhiều trong
công nghệ chế tạo khuôn ép nhựa và đột dập mà thường sử dụng dao cắt một lưỡi
cắt.
Sau một thời gian làm luận văn cùng với sự chỉ bảo tận tình của thầy TS.
Nguyễn Văn Vinh, luận văn đã cơ bản hoàn thành tuy vậy sẽ không tránh khỏi
những thiết sót, kính mong được các thầy, cô xem xét bổ sung để chuyên đề này
được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

4

MỤC LỤC
TRANG
LỜI CẢM ƠN

1

LỜI CAM ĐOAN

2

LỜI NÓI ĐẦU

3

MỤC LỤC

4

DANH MỤC CÁC HÌNH

8

DANH MỤC CÁC BẢNG

11

PHẦN MỞ ĐẦU

14

Chƣơng 1: CÔNG NGHỆ PHAY CÁC CHI TIẾT MÁY TRÊN

18

MÁY PHAY CAO TỐC
1.1 Tổng quan gia công cao tốc

18

1.1.1. Định nghĩa về gia công cao tốc

18

1.1.2. Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

19

1.1.3. Ƣu điểm của gia công cao tốc

23

1.2. Tổng quan về các nghiên cứu

24

1.3. Kết luận

29

Chƣơng 2: CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH

31

HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT


5

2.1. Chất lƣợng bề mặt chi tiết- Nhám bề mặt

31

2.2. Các phƣơng pháp mô tả nhám

31

2.3. Mối liên hệ giữa độ nhám và độ chính xác kích thƣớc

33

2.4. Ảnh hƣởng của độ nhám tới khả năng làm việc của chi tiết máy

34

2.4.1. Ảnh hƣởng đến tính chống mòn

34

2.4.2. Ảnh hƣởng đến độ bền mỏi của chi tiết

37

2.4.3. Ảnh hƣởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt
chi tiết

37

2.4.4. Ảnh hƣởng đến độ chính xác mối lắp ghép

38

2.4.5. Lựa chọn độ nhám bề mặt

38

2.5. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ nhám khi gia công cao tốc
2.5.1. Lực cắt

40
40

2.5.1.1. Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt.

40

2.5.1.2. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao S đến lực cắt.

40

2.5.1.3. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt v đến lực cắt.

41

2.5.1. 4. Ảnh hƣởng của vật liệu chi tiết gia công.

43

2.5.2. Biến dạng dẻo

44

2.5.2.1. Lẹo dao

44


6

2.5.2.2. Hiện tƣợng biến dạng phoi (hiện tƣợng co dãn phoi).

46

2.5.2. 3. Những yếu tố ảnh hƣởng đến hệ số biến dạng phoi

47

2.5.3. Nhiệt cắt và độ mòn dao

48

2.5.3.1. Ảnh hƣởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt

48

2.5.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến nhiệt cắt

50

2.6. Những kết quả nghiên cứu đã đạt đƣợc trong việc nghiên cứu các
ảnh hƣởng của chế độ công nghệ đến độ nhám bề mặt.
2.6.1. Các kết quả đối với công cụ truyền thống
2.6.1.1. Các yếu tố mang tính chất hình học của dụng cụ cắt và
chế độ cắt

56
56
56

2.6.1.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt.

58

2.6.1.3. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao

59

2.6.1.4. Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt.

60

2.6.1.5. Ảnh hƣởng của vật liệu gia công.

60

2.6.1.6. Ảnh hƣởng do rung động của hệ thống công nghệ

61

2.6.2. Các kết quả đã có đƣợc đối với máy CNC

61

2.7. Kết luận

62

Chƣơng 3: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐIỀU KIỆN THỰC

63

HIỆN
3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm

63


7

3.1.1. Mô hình thí nghiệm

63

3.1.2. Thông số đầu vào của thí nghiệm

64

3.1.2.1. Máy thực hiện.

64

3.1.2.2. Dụng cụ cắt

65

3.1.2.3. Phƣơng pháp phay.

67

3.1.2.4. Phƣơng pháp đo độ nhám chi tiết sau khi gia công

67

3.2. Các thông số thí nghiệm

69

3.3. Thí nghiệm với dao  3 và  2

70

Chƣơng 4 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

75

Chƣơng 5: KẾT LUẬN

106

TÀI LIỆU THAM KHẢO

108


8

DANH MỤC CÁC HÌNH
TRANG
Hình 1.1. Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu

19

Hình 2.1. Biên dạng bề mặt chi tiết

31

Hình 2.2. Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết

32

Hình 2.3. Quá trình mài mòn của một cặp chi tiết ma sát (tiếp xúc)

36

với nhau.
Hình 2.4. Quan hệ giữa lƣợng mòn ban đầu (U) và sai lệch profin

36

trung bình cộng Ra.
Hình 2.5. Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết máy

37

Hình 2.6. Quan hệ giữa t và lực cắt

40

Hình 2.7. Quan hệ giữa s và lực cắt

41

Hình 2.8. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt tới lực cắt

42

Hình 2.9. Phoi lẹo dao

45

Hình 2.10. Biến dạng phoi

46

Hình 2.11. Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi

47

Hình 2.12. Quan hệ giữa vận tốc cắt và nhiệt cắt

51

Hình 2.13. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt tới nhiệt cắt.

52

Hình 2.14. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao tới nhiệt cắt

53

Hình 2.15. Ảnh hƣởng của chiều dày cắt a đến nhiệt cắt

54


9

Hình 2.16. Ảnh hƣởng của chiều rộng cắt đến nhiệt cắt

55

Hình 2.17 Ảnh hƣởng của thông số hình học của dụng cụ cắt đến độ

57

nhám bề mặt
Hình 2.18. Mối quan hệ giữa tốc độ cắt v và Rz

59

Hình 2.19. Ảnh hƣởng của lƣợng tiến dao S đối với chiều cao nhấp

60

nhô tế vi R z
Hình 3.1. Mô hình thí nghiệm tổng quát

63

Hình 3.2. Máy phay CNC GSFD 3540

64

Hình 3.3. Chi tiết điện cực gia công trên máy phay khắc GSFD
3540

65

Hình 3.4. Các loại dao gia công trên máy phay khắc GSFD 3540

67

Hình 3.5. Các góc độ cơ bản của đầu dao ở trạng thái tĩnh

67

Hình 3.6. Chi tiết đƣợc gá lên máy

68

Hình 3.7. Chi tiết đƣợc gia công trên máy

68

Hình 3.6. Chi tiết đƣợc gia công hoàn thành

68

Hình 3.8. Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ – 400

69

Hình 3.9. Kết quả đo độ nhám bằng máy Mitutoyo SJ – 400

69

Hình 4.1. Mối quan hệ giữa độ chồng phủ và nhám bề mặt

76

Hình 4.2. Mối quan hệ giữa độ chồng phủ và nhám bề mặt

77

Hình 4.3. Mối quan hệ giữa độ chồng phủ và nhám bề mặt

79

Hình 4.4. Mối quan hệ giữa độ chồng phủ và nhám bề mặt

80


10

Hình 4.5. Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và nhám bề mặt

82

Hình 4.6. Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và nhám bề mặt

83

Hình 4.7. Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và nhám bề mặt

84

Hình 4.8. Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và nhám bề mặt

85

Hình 4.9. Mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và nhám bề mặt

86

Hình 4.10. Mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và nhám bề mặt

87

Hình 4.11. Mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và nhám bề mặt

88

Hình 4.12. Mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và nhám bề mặt

89

Hình 4.13. Mối quan hệ giữa bƣớc tiến S và nhám bề mặt

91

Hình 4.14. Mối quan hệ giữa bƣớc tiến S và nhám bề mặt

92

Hình 4.15. Mối quan hệ giữa bƣớc tiến S và nhám bề mặt

94

Hình 4.16. Mối quan hệ giữa bƣớc tiến S và nhám bề mặt

95

Hình 4.17. Mối quan hệ giữa góc sau và nhám bề mặt

97

Hình 4.18. Mối quan hệ giữa góc sau và nhám bề mặt

98

Hình 4.19. Mối quan hệ giữa góc sau và nhám bề mặt

99

Hình 4.20. Mối quan hệ giữa góc sau và nhám bề mặt

100

Hình 4.21. Mối quan hệ giữa góc nghiêng và nhám bề mặt

101

Hình 4.22. Mối quan hệ giữa góc nghiêng và nhám bề mặt

102

Hình 4.23. Mối quan hệ giữa góc nghiêng và nhám bề mặt

103

Hình 4.24. Mối quan hệ giữa góc nghiêng và nhám bề mặt

104


11

DANH MỤC CÁC BẢNG
TRANG
Bảng 1. So sánh gia công cao tốc và gia công thƣờng

20

Bảng 2. Các thông số kỹ thuật của máy gia công cao tốc.

21

Bảng 3.1. Thông số cơ bản của máy phay CNC GSFD 3540

64

Bảng 4.1. Kết quả đo độ nhám khi độ chồng phủ thay đổi đo theo

75

phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.
Bảng 4.2. Kết quả đo độ nhám khi độ chồng phủ thay đổi đo theo

76

phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.3. Kết quả đo độ nhám khi độ chồng phủ thay đổi đo theo

78

phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.4. Kết quả đo độ nhám khi chiều sâu cắt thay đổi đo theo

79

phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.
Bảng 4.5. Kết quả đo độ nhám khi chiều sâu cắt thay đổi đo theo

81

phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.
Bảng 4.6. Kết quả đo độ nhám khi chiều sâu cắt t thay đổi đo theo

82

phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.7. Kết quả đo độ nhám khi chiều sâu cắt thay đổi đo theo

83

phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.8. Kết quả đo độ nhám khi chiều sâu cắt thay đổi đo theo

84

phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.
Bảng 4.9. Kết quả đo độ nhám khi tốc độ trục chính n thay đổi đo
theo phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.

86


12

Bảng 4.10. Kết quả đo độ nhám khi tốc độ trục chính n thay đổi đo

87

theo phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.11. Kết quả đo độ nhám khi tốc độ trục chính n thay đổi đo

88

theo phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.12. Kết quả đo độ nhám khi tốc độ trục chính n thay đổi đo

89

theo phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.
Bảng 4.13. Kết quả đo độ nhám khi bƣớc tiến S thay đổi đo theo

90

phƣơng đo theo phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.
Bảng 4.14. Kết quả đo độ nhám khi bƣớc tiến S thay đổi đo theo

91

phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.15. Kết quả đo độ nhám khi bƣớc tiến S thay đổi đo theo

93

phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.16. Kết quả đo độ nhám khi bƣớc tiến S thay đổi đo theo

94

phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.
Bảng 4.17. Kết quả đo độ nhám khi góc sau  thay đổi đo theo

96

phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.
Bảng 4.18. Kết quả đo độ nhám khi góc sau  thay đổi đo theo

97

phƣơng song song với vết gia công.
Bảng 4.19. Kết quả đo độ nhám khi góc sau  thay đổi đo theo

98

phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.20. Kết quả đo độ nhám khi góc sau  thay đổi đo theo

99

phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.
Bảng 4.21. Kết quả đo độ nhám khi góc nghiêng  thay đổi đo theo

100


13

phƣơng vuông góc với vết gia công.
Bảng 4.22. Kết quả đo độ nhám khi góc nghiêng  thay đổi đo theo

101

phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.23. Kết quả đo độ nhám khi góc nghiêng  thay đổi đo theo

102

phƣơng song song với chiều tiến dao.
Bảng 4.24. Kết quả đo độ nhám khi góc nghiêng  thay đổi đo theo
phƣơng vuông góc với chiều tiến dao.

103

14

PHẦN MỞ ĐẦU
Đề tài luận văn: “Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số công nghệ và dao
đến độ nhám bề mặt điện cực khi phay cao tốc bằng máy GSFD 3540”.
1. Lý do chọn đề tài
- Hiện nay, ở Việt nam máy công cụ CNC đã đƣợc sử dụng rất nhiều ở các
cơ sở sản xuất. Tuy nhiên các tài liệu về chế độ công nghệ gia công trên các máy
còn thiếu, đặc biệt là gia công vật liệu dẻo. Khi mua các máy đắt tiền này, các hãng
bán thiết bị chỉ đƣa ra hƣớng dẫn công nghệ ở dạng khái quát. Còn chế độ cắt tối ƣu
là bản quyền của riêng từng hãng, họ không bán nhằm giữ độc quyền riêng cạnh
tranh. Do vậy, nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ công nghệ tới độ nhám khi gia
công trên máy CNC là vấn đề thời sự và là đòi hỏi tất yếu khách quan của nền chế
tạo cơ khí hiện đại của nƣớc ta.
- Trong công nghệ chế tạo khuôn, điện cực đóng vai trò quan trọng trong
việc chế tạo để đạt đƣợc độ chính xác và độ nhám bề mặt chi tiết gia công.
- Thông số công nghệ là những thông số quan trọng của quá trình công nghệ
ảnh hƣởng quyết định đến độ chính xác gia công. Nó là yếu tố ảnh hƣởng nhiều
nhất và trực tiếp đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của quá trình công nghệ: độ chính
xác kích thƣớc và chất lƣợng bề mặt gia công, cơ tính bề mặt sau gia công, độ mòn
dao, mức độ tiêu hao năng lƣợng, tính an toàn của quá trình...
- Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thì độ chính xác gia
công ngày càng đƣợc cải thiện hơn. Thách thức của ngành công nghiệp hiện đại là
tập trung chủ yếu vào việc đạt đƣợc chất lƣợng cao, không chỉ trong việc đạt đến độ
chính xác gia công mà là tăng tốc độ sản xuất, tăng hiệu suất của sản phẩm, tiết
kiệm chi phí giảm những tác động đến môi trƣờng. Một trong những phƣơng pháp
đã và đang nghiên cứu ứng dụng ở các nƣớc phát triển đó là phƣơng pháp gia công
cao tốc (High Speed Machining-HSM) là một trong những công nghệ gia công hiện
đại hiện nay. Trong đó phay cao tốc trên máy công cụ CNC đang đƣợc ứng dụng rất

15

nhiều tại các nhà máy của nƣớc ta. Các ứng dụng chủ yếu thúc đẩy công nghệ theo
hƣớng phay cao tốc là gia công chủ yếu trong các lĩnh vực công nghiệp chính nhƣ
sau:
+ Công nghiệp gia công nhôm: để sản xuất ra các bộ phận của ô tô, các chi
tiết máy tính nhỏ và các thiết bị y tế.
+ Công nghiệp hàng không: để gia công các chi tiết làm bằng nhôm với
thành mỏng.
+ Công nghiệp khuôn mẫu: Để gia công tinh với độ chính xác các chi tiết
làm bằng vật liệu dẻo là điện cực hoặc vật liệu cứng nhƣ khuôn dập, khuôn rèn,
khuôn nhựa.
Tại Việt Nam công nghệ này vẫn chƣa đƣợc ứng dụng phổ biến, nhằm tìm
hiểu và nghiên cứu phƣơng pháp gia công mới này. Trong nội dung luận văn cao
học tác giả chọn đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ và dao
đến độ nhám bề mặt điện cực khi phay cao tốc bằng máy GSFD 3540”.
2. Đối tƣợng, mục đích, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là các thông số công nghệ khi phay cao tốc
trên máy phay khắc CNC thực hiện với vật liệu dẻo là đồng đỏ M1.
Nghiên cứu tổng quan các tài liệu, lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
2.2. Mục đích nghiên cứu
Xác định đƣợc sự ảnh hƣởng của các thông số công nghệ (độ chồng phủ,
bƣớc tiến, chiều sâu cắt, tốc độ trục chính, góc độ của dao) của quá trình phay cao
tốc trên máy CNC đến độ chính xác gia công với vật liệu dẻo (đồng đỏ M1), từ cơ
sở đó xác định chế độ cắt hợp lý cho nguyên công phay trên máy phay khắc CNC.
Ngoài ra việc nghiên cứu đề tài còn dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng
dạy và học tập.

16

2.3. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phay cao tốc, ảnh
hƣởng của các yếu tố đến độ nhám bề mặt chi tiết khi phay cao tốc, ảnh hƣởng của
các yếu tố công nghệ khi phay cao tốc đến chất lƣợng bề mặt gia công.
Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của các thông số công
nghệ: độ chồng phủ, bƣớc tiến, chiều sâu cắt, tốc độ trục chính, góc độ của dao đến
độ nhám bề mặt chi tiết gia công.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đề tài đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm:
- Phân tích tổng quan về phay cao tốc
- Xây dựng mô hình thực nghiệm khi phay cao tốc
- Thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm.
- Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm.
3. Ý nghĩa của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến chất lƣợng bề mặt
chi tiết khi phay cao tốc trên máy phay CNC đối với các vật liệu khác nhau đã đƣợc
nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Nhƣng ở Việt Nam,
thì vật liệu có tính dẻo nhƣ đồng đỏ thì mới bắt đầu đƣợc nghiên cứu, do đó đề tài
có ý nghĩa khoa học và phù hợp với hƣớng nghiên cứu của khoa học và công nghệ
về gia công vật liệu.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu sự ảnh hƣởng của các thông số công nghệ khi phay cao
tốc trên máy phay khắc CNC với vật liệu dẻo sẽ góp phần đẩy mạnh ứng dụng công

17

nghệ phay cao tốc vào quá trình gia công cơ khí ở Việt Nam, nhằm nâng cao hiệu
quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình chế tạo sản phẩm.
Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng khi phay cao tốc các chi tiết máy có độ
chính xác cao làm bằng đồng đỏ M1 và có thể thay thế một số nguyên công gia
công tinh khác. Từ đó hỗ trợ các ngành công nghiệp khác phát triển, thúc đẩy quá
trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nƣớc.
Từ những cơ sở đó luận văn đƣợc tác giả chia làm năm chƣơng:
Chƣơng I. Công nghệ phay các chi tiết máy trên máy phay cao tốc
Chƣơng II. Chất lƣợng bề mặt và các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng đến
chất lƣợng bề mặt
Chƣơng III. Mô hình thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm
Chƣơng IV. Kết quả thực nghiệm và đánh giá
Chƣơng V. Kết luận
Trong quá trình thực hiện luận văn có thể sẽ không tránh khỏi những thiếu sót.
Tác giả rất mong đƣợc có những ý kiến đóng góp, phê bình của các thầy cô và các
bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn.
Hà nội, ngày

tháng 4 năm 2012

Tác giả


18

CHƢƠNG1: CÔNG NGHỆ PHAY CÁC CHI TIẾT MÁY
TRÊN MÁY PHAY CAO TỐC
1.1. Tổng quan gia công cao tốc

1.1.1. Định nghĩa về gia công cao tốc
So với phƣơng pháp cắt gọt truyền thống thì gia công cao tốc có khả năng
nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lƣợng chi tiết gia công và cũng có thể
giảm chi phí sản xuất và thời gian gia công. Ngoài thuật ngữ (High Speed
Machining-HSM) nói trên còn có các thuật ngữ sau cũng ám chỉ gia công cao tốc:
High-Velocity Machining, High Performance Machining, High Efficiency
Machining, High Agile Machining và High Productivity Machining. Theo cách hiểu
thông thƣờng thì gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) gia công với tốc
độ trục chính rất cao nhƣng tốc độ chạy dao thấp còn High Efficiency Machining thì
có tốc độ chạy dao cao nhƣng tốc độ cắt trung bình.
Định nghĩa:
Định nghĩa đầu tiên về gia công cao tốc đƣợc đƣa ra bởi Carl Salomon vào
năm 1931. Ông cho rằng khi tốc độ cắt đạt 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 lƣợng ăn dao cao.
Gia công với tốc độ cắt cao và lƣợng 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
đƣợc xem nhƣ là một quá trình gia công mà ở đó các bƣớc gia công đƣợc thực hiện
bằng những phƣơng pháp và thiết bị gia công rất cụ thể.


19

Gia công cao tốc thƣờng đƣợc sử dụng khi gia công tinh thép đã tôi với việc
sử dụng cả hai yếu tố là tốc độ cao và lƣợng ăn dao cao. Tùy theo loại vật liệu mà
dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau (hình 1).

Hình 1.1. 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), lƣợng ăn dao lớn (high feed), hệ điều khiển CNC cao cấp
và 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. Bƣớc tiến S trung
bình ít nhất là 10 m/s trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên đến 40 m/ph và cao hơn,
công suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW.
1.1.2. Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc
Gia công cao tốc đã đƣợc áp dụng trên các trung tâm gia công truyền thống
với tùy chọn tốc độ trục chính cao. Hiện nay gia công cao tốc (High Speed
Machining- HSM) đƣợc xem là một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo
máy. Thực ra gia công cao tốc không mới, nó đã đƣợc thực hiên cách đây hơn 30
năm. Gần đây, với sự phát triển vƣợt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những
công nghệ liên quan nhƣ máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC, hệ
thống CAM, thì gia công cao tốc ngày càng đƣợc quan tâm hơn. Các ứng dụng chủ


20

yếu thúc đẩy công nghệ theo hƣớng 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.
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 khi tốc độ gia công cao tốc khi gia công thép
vào khoảng 550m/ph nhƣng giá trị này vẫn chƣa 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, lƣợng ăn dao cao, tốc độ cắt cao
và lƣợng 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 thƣờng cho những công đoạn cụ thể.

Nói chung, để thực hiện đƣợc 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 lƣợng 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.
Trục chính phải có độ cứng vững và độ ổn định nhiệt cao. Các ổ đỡ phải có tần số
quay vòng cao. Kích thƣớc ổ, kiểu ổ, số ổ, tải, kiểu bôi trơn ổ và vật liệu làm ổ yêu
cầu phải đƣợc 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.
Bảng 1. So sánh gia công cao tốc và gia công thƣờng
Các thông số

Gia công thƣờng

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



Động cơ dẫn động chạy dao tốc độ cao

-

0,5 - 2,0


21

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 đƣợc cho gia công cao tốc



Bộ điều khiển CNC phải có khả năng xử lý đủ nhanh. Xu hƣớng phát triển các bộ
điều khiển CNC là chúng phải giảm đƣợc thời gian xử lý các khối lệnh và tăng khả
năng “look ahead”, có khả năng nội suy cung tròn thông qua đƣờng cong NURBS.
Bảng 2. Các thông số kỹ thuật của máy gia công cao tốc.
Mikron HSM

Mazak FJV-

Deckel DMC

700

25N

V65

Hành trình trục X, mm

700

1020

650

Hành trình trục Y, mm

550

510

500

Hành trình trục Z, mm

450

460

500

Công suất trục chính, kW

10

30

15

42.500

25.000

18.000

Gia tốc

10m/S2

2,8s

1g

Bƣớc tiến S, mm/ph

40.000

50.000

60.000

40.000

50.000

60.000

Số dao trong ổ tích dao

12

30

30

Bộ điều khiển

ATEK HS-Plus

Mazak

TNC 430M

Thông số kỹ thuật

Số vòng quay trục chính,
vg/ph

Tốc độ chạy dao nhanh,
mm/ph

Hệ thống máy phải chắc chắn và độ cứng vững cao. Khung máy và các hệ
thống hỗ trợ nhƣ hệ thống che băng máy, hệ thống nƣớc làm mát, hệ thống kẹp
chặt,… phải có độ cững vững cao để chịu đƣợc ứng suất sinh ra khi gia công cao
tốc. Thiết bị che chắn máy và các cửa sổ phải đƣợc làm bền nhằm đảm bảo an toàn


22

khi có sự cố về dao. Vấn đề an toàn phải đƣợc 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 phƣơng với vận tốc quay. Sự mất
cân bằng trong hệ thống cũng nhƣ sự không đồng tâm sẽ làm gia tăng lực li tâm,
gây rung động máy. Do đó hệ thống gá dao và dao 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, ở xung quanh dao
cắt xuất hiện vùng gió xoáy nên phƣơng 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 thƣờng nên hệ thống cấp dung dịch trơn nguội phải có khả năng
lọc tốt. Trong nhiều trƣờng hợp ngƣời 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
Tóm lại để thực hiện đƣợc gia công cao tốc thì hệ thống dao và máy cũng có
những yêu cầu đặc biệt, cụ thể nhƣ 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 đƣợc làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao..


23

Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng đƣợc cho gia công cao tốc nhƣ có

khả năng nội suy cung tròn thông qua đƣờng cong NURBS, có chức năng “look
ahead”, …

1.1.3. Ƣu điểm của gia công cao tốc
So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ƣu điểm nổi bật.
Nó có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công,
tùy trƣờng hợp.
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 phƣơng 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 và chỉ cần thay đổi chƣơng trình
điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm đồ gá chuyên dùng. Máy
điều khiển số đáp ứng đƣợc 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 đƣợc trang bị tính năng đánh giá
lƣợng mòn dụng cụ và tự động điều chỉnh máy để bù lƣợng mòn.
- Máy gia công cao tốc CNC có tính năng tự động kiểm tra chất lƣợng ngay trong
quá trình gia công mà các máy thông thƣờng không có khả năng này. Do vậy giảm
đáng kể tổn phí cho kiểm tra chất lƣợng chi tiết gia công.
- 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 CNC không cần dùng các đồ gá chuyên dùng để gá kẹp
phôi.
Một số ƣu điểm khác của gia công cao tốc nhƣ sau:


24

Tốc độ bóc vật liệu cao.
Chất lƣợng bề mặt gia công tốt.
Độ chính xác hình dáng cao.
Có khả năng gia công đƣợc các gân mỏng.
Giảm việc tạo bavia.
Không gây hƣ hại bề mặt gia công.

1.2. Tổng quan về các nghiên cứu
Hiện nay gia công cao tốc đang ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các
nhà máy, doanh nghiệp. Các máy CNC đã đƣợc các nhà máy khai thác. Tuy nhiên
việc sử dụng và khai thác chúng nhƣ thế nào để đạt đƣợc hiệu quả kinh tế cao vẫn
còn là một vấn đề cần nghiên cứu. Vì việc sử dụng các máy công cụ CNC đắt tiền
nhƣ vậy chỉ mang lại hiệu quả cao khi máy làm việc với chế độ công nghệ hợp lý.
Nếu không thì sẽ gây ra lãng phí và hiệu quả thấp. Do vậy việc nghiên cứu ảnh
hƣởng của chế độ cắt tới độ nhám bề mặt đã đƣợc nghiên cứu nhiều ở các nƣớc phát
triển nhƣ Đức, Mỹ, Nhật, Pháp, Thuỵ Sĩ... Nhƣng khi mua các thiết bị gia công đắt
tiền của các nƣớc này, các hãng bán thiết bị chỉ đƣa ra hƣớng dẫn công nghệ ở dạng
khái quát. Còn chế độ cắt tối ƣu là bản quyền của riêng từng hãng, họ không bán
nhằm giữ độc quyền riêng cạnh tranh. Do vậy, nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt
tới độ bóng khi gia công trên máy CNC là vấn đề thời sự và là đòi hỏi tất yếu khách
quan của nền chế tạo cơ khí hiện đại của nƣớc ta.
Ví dụ thí nghiêm nghiên cứu về ảnh hƣởng của chế độ cắt tới độ nhám bề
mặt của tác giả Chang-Xue(Jack)Feng


25

Tác giả nghiên cứu ảnh hƣởng của 5 thông số chính (vật liệu, lƣợng chạy dao,
góc trƣớc,chiều sâu cắt, tốc độ cắt) và tác động của từng cặp thông số lên độ nhám
của chi tiết gia công. Thí nghiệm đƣợc tiến hành trên máy tiện CNC YAM CK-1, và

kết

qủa

Mitutoyo.

đƣợc

đo

trên

máy

kiểm

tra

độ

bóng

SJ-301

của

hãng