Khảo sát ảnh hưởng của rung động đến độ nhám bề mặt khi gia công trên máy phay CNC

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

NGUYỄN NAM HẢI

Kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña rung ®éng ®Õn ®é nh¸m
bÒ mÆt khi gia c«ng trªn m¸y phay CNC

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2010


Lời cảm ơn
Trớc tiên tôi xin đợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới GS.TS trần
văn địch, ngời hớng dẫn khoa học đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá
trình làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Cơ Khí - Trờng Đại Học
Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm Cơ Khí Trờng Đại học Công nghiệp Hà Nội
cùng các bạn bè đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình
nghiên cứu.
Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Học viên
Nguyễn Nam Hải

-1-

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng bản luận văn này hoàn toàn do tôi làm ra dới sự
chỉ đạo của các nhà giáo hớng dẫn khoa học và bộ môn Công nghệ chế tạo
máy Viện Cơ Khí Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Những nội dung
trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của tôi.
Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Học viên
Nguyễn Nam Hải

-2-


Lời nói đầu
Ngày nay ngành công nghiệp đang phải đối đầu với những thách thức to
lớn và cạnh tranh quyết liệt. Nh chúng ta biết, Việt Nam đã gia nhập tổ chức
thơng mại mậu dịch thế giới (WTO), vì vậy đòi hỏi phải đa ra chiến lợc
phát triển công nghệ và khoa học kỹ thuật để có thể cạnh tranh với các nớc
trên thế giới.
Các nhà sản xuất phải tìm cách giảm thời gian chế tạo, tăng chất lợng
sản phẩm, nâng cao sản xuất và linh hoạt hoá sản xuất bằng việc tăng cờng
áp dụng tự động hoá với các phơng pháp tiên tiến. Ngày nay ở nớc ta đang
có xu hớng đa 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 đợc chú trọng nhằm đạt đợc năng suất gia công cao
nhất và chất lợng 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 đợc những kết quả đó cần phải đầu t 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 hởng của rung động đến chất lợng bề mặt chi
tiết khi gia công trên máy phay CNC .

Sau một thời gian làm luận văn cùng với sự chỉ bảo tận tình của thầy
GS.TS Trần Văn Địch, luận văn đã cơ bản hoàn thành tuy vậy sẽ không tránh
khỏi những thiết sót, kính mong đợc các thầy, cô xem xét bổ sung để chuyên
đề này đợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

-3-


Mục lục
Lời cảm ơn ....................................................................................................1
Lời cam đoan ..............................................................................................2
Lời nói đầu ...................................................................................................3
phần mở đầu................................................................................................7
phần nội dung ..........................................................................................14
chơng 1: tổng quan về kỹ thuật gia công CNC và phay
CNC..................................................................................................................14
1.1. Khái quát chung về kỹ thuật CAD/CAM CNC .................................14
1.2. Vài nét về tình hình khai thác sử dụng máy CNC hiện nay ..................17
1.3. Nguyên lý gia công điều khiển số CNC................................................18
1.3.1. Khái niệm và đặc trng cơ bản của các máy gia công CNC ........18
1.3.2. Hệ điều khiển máy gia công CNC .................................................21
1.3.3. Các trục điều khiển NC (NC axises).............................................24
1.3.4. Hệ tọa độ và các điểm gốc lập trình gia công CNC quan trọng ...25
1.3.5. Chu trình và chơng trình con.......................................................28
1.3.6. Hiệu quả kinh tế khi sử dụng máy gia công CNC .........................29
CHNG 2: HIN TNG RUNG NG TRONG GIA CễNG CT GT
..........................................................................................................................31
2.1. Khỏi nim v n nh v mt n nh ca quỏ trỡnh ct gt khi xut hin
rung ng. ....................................................................................................31

2.2. Cỏc thụng s u vo ca quỏ trỡnh kho sỏt rung.....31
2.2.1. Chuyn v ....................................................................................32
2.2.2. Vn tc........................................................................................33
2.2.3. Gia tc ........................................................................................34
2.2.4. Quan h gia cỏc thụng s .........................................................34
2.3. Phõn loi rung ng ..............................................................................35
2.3.1. Rung ng cng bc.................................................................35
2.3.2. Dao ng riờng...........................................................................36
2.3.3. T rung .......................................................................................37
2.4.
Cỏc nguyờn nhõn gõy lờn rung ng..............................................39
2.4.1. Mt cõn bng .................................................................................39
2.4.2. Khụng ng trc ............................................................................40
2.4.3. Ma sỏt c hc ................................................................................41
2.4.4. Bỏnh rng b mũn ..........................................................................41

-4-


2.4.5. r ca mỏy ...............................................................................41
2.4.6. Trc khuu .....................................................................................41
2.4.7. lch tõm ti ngừng trc............................................................42
2.4.8. Lc khớ ng v ỏp lc thy ng .................................................42
2.4.9. S bin dng ..................................................................................42
2.4.10. La chn thit b khụng phự hp.................................................42
2.5. Các yếu tố ảnh hởng của rung động trong quá trình cắt .....................42
2.5.1. ảnh hởng của máy .......................................................................42
2.5.2. ảnh hởng của vị trí tơng đối giữa dao và phôi ..........................46
2.5.3. ảnh hởng của phôi và dao ...........................................................49
2.5.4. ảnh hởng của thông số hình học của dao và chế độ cắt .............53

2.5.5. ảnh hởng của vật liệu gia công ..................................................58
2.6. các biện pháp nâng cao ổn định của quá trình cắt................................59
2.6.1. nhóm các biện pháp liên quan đến cấu trúc của máy ..................59
2.6.2. các biện pháp liên quan đến phôi và dụng cụ gia công................59
2.6.3. các biện pháp liên quan đến quá trình cắt ...................................59
2.7. Lập mô hình thực nghiệm của độ nhám bề mặt và rung động khi phay
......................................................................................................................60
Chơng 3: xây dựng hệ thống trang thiết bị thực nghiệm
đo rung động và đo nhám.................................................................61
3.1
Mục tiêu thực nghiệm .....................................................................61
3.2 Xây dựng hệ thống thực nghiệm ............................................................61
3.2.1 Xây dựng sơ đồ thực nghiệm tổng thể..............................................61
3.2.2. Cơ sở lý thuyết ...............................................................................62
3.2.3. Cu trỳc h thng o v phõn tớch rung........................................64
3.2.4. Cm bin o rung 3 chiu loi BR4321V .....................................65
3.2.5. Thit b gia cụng tớn hiu UV-05 ...................................................66
3.2.6. CARD ADC PCMCIA-DAS16/16 ..................................................71
3.2.7. Mỏy tớnh v phn mm DASYLab..................................................72
3.3.2 Máy dùng trong thực nghiệm ..........................................................79
3.2.3 Sơ đồ gá phôi ..................................................................................81
Chơng 4: khảo sát thí nghiệm ảnh hởng của rung động
đến độ nhám bề mặt khi gia công trên máy phay CNC
doosan dnm400 ........................................................................................87
4.1. Quan hệ giữa độ nhám và chế độ cắt khi phay trên máy phay đứng
....105

-5-

KÕt luËn ch−¬ng 4 ...............................................................................108
KÕt luËn chung ....................................................................................109
H−íng nghiªn cøu tiÕp theo ..........................................................110
tµi liÖu tham kh¶o .............................................................................111

-6-


MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
A:

Biên độ rung động (m/s2)

f:

Tần số rung động (HZ)

DFT: Phép biến đổi Fourier nhanh
h:

Chiều dày lớp cắt (mm)

K:

Hệ số khả năng cắt

n:

Tốc độ quay của trục chính (vg/ph)

Px:

Lực cắt dọc trục (N)

Py:

Lực cắt pháp tuyến (N)

Pz:

Lực cắt tiếp tuyến (N)

Py(t) : Lực cắt Py tại thời điểm t (N)
Py(tb): Lực cắt Py trung bình tại thời điểm t (N).
Pya : Thành phần lực cắt có tần số 120 -1000 HZ tại thời điểm t (N).
QW: Nhiệt lượng truyền vào chi tiết
Ra; Rz ; Rt: Độ nhám bề mặt gia công (µm)
YRa; XRa; ZRa; λRa: Các hệ số mũ xét đến mức độ ảnh hưởng của chế độ
cắt t, s và v.
Ra(t): Chiều cao nhám
t:

Chiều sâu cắt (mm)

T:

Thời gian phay (phút)

Q:

Hiệu quả kinh tế

C1:

Giá thành công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên máy thường

C2:

Giá thành công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên máy NC, CNC

-7-


E:

i lng nghch o, thi hn hon thnh vn mua mỏy

K1 :

Chi phí đầu t cho máy thờng (đ/chi tiết)

K2 :

Chi phí đầu t cho máy NC, CNC (đ/chi tiết)

N:

Sản lợng của chi tiết cần gia công (chi tiết/năm)

x:

Chuyn v ca trc

X:

Biờn chuyn ng

:

Tn s vũng

c:

H s cn

k:

cng ca h

F(t):

Ngoi lc cng bc

-8-


DANH MC CC HèNH V
Hình 1.1: Quá trình chế tạo sản phẩm............................................................. 15
Hình 1.2: Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM - CNC ........................16
Hình 1.3: Các đờng chạy dao trong điều khiển theo điểm ............................23

Hình 1.4: Các đờng chạy dao trong chuyển động theo đờng....................... 23
Hình 1.5: Điểm không của máy tiện, phay CNC............................................ 26
Hình 1.6: Điểm gốc và điểm cắt của dao .........................................................27
Hỡnh 2.1. Phõn bit trng thỏi n nh v mt n nh.................................... 31
Hỡnh 2.2. Thớ d v tớn hiu dao ng iu hũa ..............................................32
Hỡnh 2.3. Chuyn v, vn tc, gia tc ca cựng mt chuyn ng ..................34
Hỡnh 2.4. Mụ hỡnh dao ng cng bc......................................................... 36
Hỡnh 2.6. Phõn bit rung ng cng bc v t rung..................................... 38
Hỡnh 2.7. m nng gõy ra mt cõn bng....................................................... 39
Hỡnh 2.8. ỏp ng biờn ca rụto khụng cõn bng ......................................40
Hỡnh 2.9. Hai trng thỏi khụng cõn bng .........................................................40
Hỡnh 2.10. Cỏc trng hp lch trc ...............................................................41
Hình 2.11. Các dạng móng máy và lắp đặt máy .............................................43
Hình 2.12. Quan hệ giữa độ mềm dẻo của máy với tần số trong trờng hợp
móng máy đợc lắp đặt khác nhau.................................................................. 44
Hình 2.13. Sự phụ thuộc của độ mềm dẻo của máy doa và độ cứng vững của
trục chính .........................................................................................................44
Hình 2.14. Độ mềm doẻ động lực học của máy phay đứng khi chịu tải theo
phơng X .........................................................................................................45
Hình 2.15. ảnh hởng của nhiệt độ của máy đến phản ứng động lực học của
máy ..................................................................................................................46
Hình 2.16. ảnh hởng của hớng lực cắt đến ổn định ...................................47
Hình 2.17. Đồ thị cực biểu thị sự biến đổi của chiều rộng cắt tới hạn phụ thuộc
vị trí tơng đối giữa dao và phôi...................................................................... 48
Hình 2.18. ảnh hởng của hớng lực cắt đến chiều sâu cắt tới hạn khi quay..48

-9-


Hỡnh 2.19.ảnh hởng của độ mềm dẻo của phôi đến chiều sâu cắt tới hạn ....50

Hình 2.20. ảnh hởng của độ dài thân dao đến độ mềm dẻo của một máy tiện
đứng .................................................................................................................51
Hình 2.21. Sự giảm phần thực âm của đồ thị cực do thay đổi kết cấu dao ......52
Hình 2.22. Mất ổn định do dao ăn lẹm vào chi tiết gia công làm biến đổi lực
cắt động lực học............................................................................................... 52
Hình 2.23. ảnh hởng của góc sau đến chiều sâu cắt tới hạn.................... 53
Hình 2.24. Sự phụ thuộc của chiều rộng cắt tới hạn vào góc điều chỉnh ......54
Hình 2.25. ảnh hởng của góc nghiêng đến độ ổn định của quá trình cắt...55
Hình 2.26. Sự phụ thuộc của chiều sâu cắt tới hạn vào thời gian cắt của dao..55
Hình 2.27. ảnh hởng của chiều sâu cắt và bán kính đỉnh dao đến hớng của
lực cắt động lực học .........................................................................................56
Hình 2.28. ảnh hởng của tốc độ cắt đến chiều rộng cắt tới hạn khi Phay .....57
Hình 2.29. ảnh hởng của lợng chạy dao đến chiều rộng cắt tới hạn K .......58
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm tổng thể nghiên cứu quan hệ của
rung động đến độ nhám khi gia công trên máy phay CNC .............................62
Hỡnh 3.2: Nguyờn lý ng lc trong cm bin o rung................................... 63
Hỡnh 3.3: Cỏc thit b o rung .........................................................................65
Hỡnh 3.4. CARD PCMCIA DASY16/16 .........................................................71
Hỡnh 3.5. Lu c v x lý tớn hiu o ......................................................78
Hình 3.6: Máy phay DOOSAN DNM400 .......................................................80
Hình 3.7 : Sơ đồ gá phôi.................................................................................. 82
Hình 3.8: Phôi dùng trong thực nghiệm.......................................................... 82
Hình 3.9. Vị trí đặt cảm biến đo rung .............................................................83
Hình 3.10. Mảnh cắt 490R-08T380-PM của hãng Sandvik .............................84
Hình 3.11: Máy đo nhám SJ-400 .....................................................................84
Hình 3.12: Sơ đồ đo nhấp nhô tế vi bề mặt ......................................................85
Hình 4.1; Hình ảnh xử lý số liệu bằng phần mềm TableCurve .......................87
Hình 4.2: Kết quả thí nghiệm lần 1 (Ra) .........................................................90
Hình 4.3: Kết quả thí nghiệm lần 2 (Ra) .........................................................90

- 10 -


H×nh 4.4: KÕt qu¶ thÝ nghiÖm lÇn 3 (Ra) .........................................................93
H×nh 4.5: KÕt qu¶ thÝ nghiÖm lÇn 4 (Ra) .........................................................93
H×nh 4.6: KÕt qu¶ thÝ nghiÖm lÇn 5 (Ra) .........................................................96
H×nh 4.7: KÕt qu¶ thÝ nghiÖm lÇn 6 (Ra) .........................................................96
H×nh 4.8: KÕt qu¶ thÝ nghiÖm lÇn 7 (Ra) .........................................................99
H×nh 4.9: KÕt qu¶ thÝ nghiÖm lÇn 8 (Ra) .........................................................99
H×nh 4.10: KÕt qu¶ thÝ nghiÖm lÇn 9 (Ra) .....................................................102
Hình 4.11: Đồ thị quan hệ giữa biên độ rung A (m/s2) và chế độ cắt ...........103
H×nh 4.12: HÖ sè vµ sè mò hµm quan hÖ A vµ chÕ ®é c¾t .............................104
Hình 4.13: Đồ thị quan hệ giữa biên độ rung Ra (µm) và chế độ cắt ...........106

- 11 -


phần mở đầu
I. lý do chọn đề tài
- Hiện nay, ở Việt nam máy công cụ CNC đã đợc sử dụng rất nhiều ở
các cơ sở sản xuất. Tuy nhiên, hiệu quả khai thác các máy gia công NC, CNC
cha cao. Nguyên nhân chủ yếu là do việc vận hành và sử dụng máy cha hợp
lý. Do đó, việc chọn phơng án nghiên cứu trên máy công cụ CNC là để góp
phần nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng máy móc thiết bị.
- Rung động là thông số quan trọng của quá trình công nghệ ảnh hởng
quyết định đến độ nhám của chi tiết gia công. Nó là yếu tố ảnh hởng nhiều
nhất và trực tiếp đến các chỉ tiêu kỹ thuật của quá trình công nghệ: độ chính
xác kích thớc và chất lợng bề mặt gia công, cơ tính bề mặt sau gia công, độ
mòn dao, mức độ tiêu hao năng lợng, tính an toàn của quá trình...
- Nghiên cứu về rung động và chất lợng bề mặt gia công trên các máy

CNC là một vấn đề thực sự cần thiết.
ii. mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận văn là thiết lập mối quan hệ giữa rung động
ảnh hởng đến độ nhám bề mặt để từ đó chọn chế độ cắt hợp lý khi gia công
tinh và điều khiển tự động quá trình cắt nhằm đảm bảo cho hệ thống công nghệ
cho gia công phay làm việc trong trạng thái ổn định và có hiệu quả.
iii. đối tợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tợng nghiên cứu: Khảo sát ảnh hởng của rung động đến chất
lợng bề mặt chi tiết khi gia công trên máy phay CNC.
- Phạm vi nghiên cứu: Do điều kiện thời gian và trang thiết bị còn hạn
chế nên luận văn chỉ dừng lại ở mức khảo sát ảnh hởng rung động, thiết lập
mối quan hệ giữa rung động và độ nhám bề mặt để đánh giá sự phù hợp của
chế độ cắt tinh theo khuyến cáo của nhà sản xuất.

- 12 -


iv. ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
ý nghĩa khoa học
Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn
đã đa ra đợc các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa rung động và chất
lợng bề mặt làm cơ sở để chọn chế độ gia công tinh hợp lý.
ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu, khảo sát sự ảnh hởng của lực cắt đến chất lợng
bề mặt chi tiết khi gia công trên máy phay CNC có ý nghĩa thực tiễn nh sau:
Giúp cho việc lựa chọn chế độ cắt tinh hợp lý theo khuyến cáo của các
hãng sản xuất.
Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác nh: Rung động và
tự rung động trong quá trình cắt, điều khiển thích nghi quá trình cắt và các
nghiên cứu về mòn dụng cụ, tuổi bền dụng cụ.

- 13 -


phần nội dung
chơng 1: tổng quan về kỹ thuật gia công CNC
và phay CNC
1.1. Khái quát chung về kỹ thuật CAD/CAM CNC
Vào giữa thế kỷ 20, nền kinh tế thế giới đã có những bớc tiến lớn mang
tính toàn cầu. Các hệ thống máy móc, thiết bị cũ không thể đáp ứng đợc nhu
cầu của con ngời trong việc phát triển kinh tế cũng nh chinh phục tự nhiên.
ý tởng chế tạo ra một máy gia công tự động thực hiện quá trình cắt đã đợc
manh nha từ đầu thế kỷ trở nên cần thiết hơn bao giờ hết. Đặc biệt sau đại
chiến thế giới lần thứ hai (1945), cùng với sự ra đời của hàng loạt nớc theo
đờng lối Chủ nghĩa Xã hội đã đa thế giới phân làm hai thái cực là T bản
Chủ nghĩa và Xã hội Chủ nghĩa. Đờng lối chính trị của cả hai khác hẳn nhau
đã trở thành mâu thuẫn trên mọi phơng diện xã hội, kinh tế, quân sự. Để
giành đợc u thế thì việc thiết kế, chế tạo ra các loại máy móc, thiết bị, vũ khí
mới đã trở lên cấp bách hơn bao giờ hết. Chính vì lẽ đó, việc nghiên cứu, chế
tạo máy gia công tự động đã có kết quả bớc đầu ngay từ những năm 50.
Nhng phải đến những năm 70, sự bùng nổ của công nghệ thông tin đã thúc
đẩy và đa kỹ thuật CAD/CAM-CNC lên một tầm cao mới mà đỉnh cao là
năm 1979, khớp nối liên hoàn kỹ thuật CAD/CAM-CNC đã đợc khai thông.
Quá trình từ khi có ý tởng về sản phẩm hay vật mẫu đến khi chế tạo ra sản
phẩm đợc rút ngắn, sản phẩm đa dạng và phong phú hơn bao giờ hết, đáp ứng
nền kinh tế thị trờng.
Quá trình chế tạo sản phẩm nói chung có thể khái quát qua sơ đồ hình 1.1
Quá trình thiết kế sản phẩm trớc đây thờng rất dài vì thiếu công cụ thiết kế.
Quá trình chế tạo sản phẩm gặp khó khăn vì thiết bị không đáp ứng đợc, có
những công đoạn phải làm thủ công nên mất thời gian. Quá trình Marketting

thờng diễn ra chậm. Nh vậy quá trình chế tạo sản phẩm từ khi có ý tởng
đến khi đa đợc sản phẩm đến với tay ngời tiêu dùng là cả một chặng đờng
dài. Chính vì lẽ đó nó không thể đáp ứng đợc với cơ chế thị trờng.
Quá trình chế tạo sản phẩm hiện nay đã có bớc đột phá. ý tởng về sản
phẩm đợc thiết kế ngay trên máy tính bằng phần mềm AutoCAD hay các

- 14 -


phần mềm thiết kế khác nh SolidWork, Inventor... và phần mềm hỗ trợ kiểm
tra phù hợp. Việc thiết kế sản phẩm còn đợc hỗ trợ bởi thiết bị dò hình số
hoá hay thiết bị tạo mẫu nhanh. Sau khi có thiết kế, chuỗi liên hoàn
CAD/CAM đã cho phép chuyển đổi bản vẽ sang chơng trình gia công tự
động. Quá trình chế tạo sản phẩm (CAM) đã đợc tự động hoá cao, gia công
đợc các bề mặt phức tạp nhờ kỹ thuật CNC, hệ thống thông tin cập nhật
nhanh. Chính vì lẽ đó quá trình chế tạo sản phẩm trở nên ngắn hơn bao giờ hết
ý tởng về sản phẩm
hoặc sản phẩm mẫu

Thu thập thông tin liên quan
để nghiên cứu thiết kế

Thiết kế
sản phẩm

quá
trình
thiết

Hiệu chỉnh thiết kế

hoặc đổi mới thiết kế

Hoạch định qui
trình công nghệ

Kiểm tra đánh giá chất
lợng

Chuẩn bị máy móc
thiết bị, dụng cụ, vật t

Chế tạo
chi tiết

Đóng gói

Kiểm tra chất
lợng sản
phẩm

Lắp ráp sản
phẩm

Tổ chức
mạng lới
tiêu thụ

Tổ chức dịch vụ
sửa chữa bảo hành

Thu thập
thông tin về
sản phẩm

Đờng đi của quá trình

kế

Chế tạo
thử

quá
trình
chế
tạo

quá trình
marketting

Đờng phản hồi

Hình 1.1: Quá trình chế tạo sản phẩm
Để việc ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM-CNC đạt đợc kết quả tốt thì việc
hoạch định quy trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính CAPP (Computer
Aided Process Planning) đóng một vai trò quan trọng bởi nó là cầu nối giữa
thiết kế và chế tạo, là một liên kết trong các hoạt động tổ hợp của hệ thống chế
tạo. Hơn nữa việc hoạch định đó còn có lợi ích sau:
- Năng suất tăng, tổ hợp nhanh các năng lực sản xuất.

- 15 -

- Chi phí sản xuất giảm vì giảm bớt đợc công chuẩn bị sản xuất. Sử
dụng có hiệu quả hơn về máy, về nguyên vật liệu.
- Tiết kiệm đợc thời gian, tăng cờng tính linh hoạt do khả năng đáp
ứng nhanh các đòi hỏi thay thế về cấu hình sản phẩm.
- Thể hiện tính nhất quán
Bắt đầu hệ thống

CA /CA
Tạo lập mô hình hình
học (2D, 3D)
Tệp dữ liệu hình học
Tạo lập bản vẽ chi tiết

Chọn dụng cụ cắt

Tệp dụng cụ cắt

Đặt các điều kiện về gia
công (cắt gọt)

Tệp vật liệu gia công

Tạo lập quỹ đạo dao
(Toolpath)

Chuẩn bị chơng trình
gia công NC

Tệp dữ liệu về máy
CNC

Xuất băng lỗ NC ( ghi chơng
trình gia công NC)
Gia công chi tiết trên
máy CNC

Hình 1.2: Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM - CNC
Ngày nay, giải pháp lập trình CAD/CAM-CNC đã đợc nghiên cứu, tạo
lập và ứng dụng trong đào tạo, sản xuất, với ý tởng ẩn sâu là sử dụng duy nhất

- 16 -


một hệ cơ sở dữ liệu kỹ thuật (a single technical database) cho cả hai khâu thiết
kế và chế tạo chi tiết trong quá trình nghiên cứu, thiết kế phát triển sản phẩm
cũng nh trong quá trình sản xuất chế tạo sản phẩm .
Xu hớng hiện nay, việc hoạch định quy trình công nghệ thờng đợc
định hớng linh hoạt hoá. Trong ngành Cơ khí đã có sự dịch chuyển từ tự động
hoá các doanh nghiệp có quy mô sản xuất lớn sang quy mô vừa và nhỏ. Điều
đó cho phép dễ dàng thực hiện linh hoạt hoá. Với định hớng này, dây chuyền
gia công chi tiết cơ khí có thể thực hiện theo một trong các phơng án sau:
Phơng án 1: Dùng máy vạn năng kết hợp gá lắp, điều chỉnh theo nhóm
chi tiết
Phơng án 2: Dùng máy chuyên dùng đơn giản có khả năng điều chỉnh
theo nhóm chi tiết gia công
Phơng án 3: Dùng các máy hay trung tâm gia công CNC theo giải pháp
tập trung nguyên công, tự động hoá việc điều khiển theo hớng linh hoạt hoá
và tự động hoá.

Quá trình từ thiết kế đến chế tạo ra sản phẩm có sự đóng góp đắc lực của
kỹ thuật CAD/CAM CNC nhng vai trò của con ngời trong đó có ý nghĩa
quyết định. Chơng trình gia công NC, CNC dù có đợc xây dựng từ chuỗi liên
thông

thì cũng không thể đáp ứng với mọi loại máy, mọi loại vật liệu, mọi

phơng thức gia công... mà thể hiện rõ nhất là việc sử dụng chế độ cắt trên
máy.
1.2. Vài nét về tình hình khai thác sử dụng máy CNC hiện nay
ở Việt Nam chúng ta, trớc đây hệ thống sản xuất cơ khí quá lạc hậu,
năng suất thấp, chất lợng kém nhng giá thành lại cao, sản xuất cha đáp ứng
đợc thị trờng trong nớc chứ đừng nói gì đến vơn ra thị trờng ngoài nớc.
Nhận thức rõ vấn đề đó, sau Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VI (1986) với chủ
trơng đổi mới, nhiều chính sách ra đời đã tạo cho doanh nghiệp sự chủ động,
sáng tạo. Rất nhiều doanh nghiệp trong nớc và liên doanh với nớc ngoài đã
đa máy gia công có mức độ tự động hoá cao vào sản xuất. Ngành cơ khí
nớc ta nói riêng và tất cả các ngành khác nói chung đã có bớc phát triển
mới. Sản phẩm chế tạo ra đã có chất lợng cao hơn, thời gian chế tạo nhanh

- 17 -


hơn. Tuy nhiên, tìm hiểu một số doanh nghiệp sử dụng kỹ thuật CNC thì thấy
có một số hạn chế sau:
- Chủng loại máy, nguồn gốc máy đa dạng nhng chủ yếu là các máy của
: Đức, Nhật, Trung quốc, Đài loan, Hàn quốc. Đáng chú ý là có một số máy
không rõ nguồn gốc vì việc mua bán máy qua nhiều trung gian, tài liệu thất
lạc...
- Hệ điều khiển của máy chủ yếu là FANUC, HEIDENHAIN,

Mitsubishi...
- Việc chuyển giao kỹ thuật từ các chuyên gia nớc ngoài cho đối tác tại
Việt Nam không đầy đủ. Chủ yếu chỉ hớng dẫn lập trình cơ bản và thao tác
vận hành máy.
- Ngoại trừ một số doanh nghiệp liên doanh, doanh nghiệp 100% vốn
nớc ngoài trong sản xuất có mặt hàng truyền thống thì chơng trình gia công
CNC đợc chuẩn bị trớc từ nớc ngoài đa vào còn lại chủ yếu do ngời vận
hành máy lập trình trực tiếp trên máy.
- Một số doanh nghiệp cha thực sự chú ý đến khai thác máy một cách
hiệu quả, thời gian máy hoạt động không nhiều.
- Việc sử dụng chế độ cắt chủ yếu là theo kinh nghiệm nh khi thực hiện
gia công trên máy vạn năng nên cha thể nói là đã hợp lý hay cha?.
Các máy gia công sử dụng kỹ thuật CNC thờng đợc nhập ngoại với giá
thành rất cao, chính vì lẽ đó, hiệu quả khai thác sử dụng máy còn hạn chế, giá
thành sản phẩm cao vì mức khấu hao lớn.
Thực tế đó cho thấy việc nghiên cứu xây dựng mối quan hệ giữa các
yếu tố nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất cho các máy CNC nói chung và
phay CNC nói riêng là việc làm hết sức cần thiết. Trong nội dung bản luận văn
này tôi nghiên cứu 1 chuyên đề về sự ảnh hởng của lực cắt đến độ nhám bề
mặt khi gia công chi tiết trên máy phay CNC.
1.3. Nguyên lý gia công điều khiển số CNC
1.3.1. Khái niệm và đặc trng cơ bản của các máy gia công CNC
Máy gia công CNC (CNC machine tool) là những thiết bị cơ điện tử phức
tạp, đắt tiền, hoạt động theo các nguyên lý cơ khí và vật lý kỹ thuật (gia công

- 18 -


tiện, phay, khoan, mài, laser, tia lửa điện, ...; đo lờng; gá đặt; điều chỉnh,
v.v...) và đợc điều khiển bằng chơng trình số (NC Program) với hệ CNC (

Computerized Numerical Control).
Gia công chi tiết cơ khí trên các máy điều khiển theo chơng trình số
CNC có những đặc điểm sau:
- Mức độ tự động hoá cao, toàn bộ quá trình hoạt động của máy để gia
công chi tiết do máy tính điều khiển.
- Tốc độ dịch chuyển của bàn máy cao.
- Tốc độ quay của trục chính cao và có thể điều chỉnh vô cấp.
- Độ chính xác gia công cao (sai lệch kích thớc có thể nhỏ hơn 0,001
mm)
- Năng suất gia công cao (có thể gấp 3 lần máy thông thờng)
- Tính linh hoạt cao, thích nghi nhanh với sự thay đổi về kết cấu sản
phẩm.
- Mức độ tập trung nguyên công cao (gia công nhiều bề mặt trong một
lần gá đặt).
- Có thể gia công đợc những bề mặt phức tạp mà các máy khác khó
hoặc không thực hiện đợc (các bề mặt dạng 3D).
- Khả năng thực hiện lặp lại các công việc gia công (chơng trình đợc sử
dụng nhiều lần).
- Chuẩn bị công nghệ để gia công trên máy CNC khác với máy thờng là
phải lập trình NC để điều khiển máy gia công theo ngôn ngữ phù hợp với máy
và tuỳ thuộc vào hệ điều khiển máy (FANUC, HEIDENHAIN, MITSUBISHI,
v.v...).
- Mức độ tự động hoá cao nên vận hành đơn giản nhng bảo dỡng và
sửa chữa phức tạp.
- Không thích hợp với trình độ sản xuất thấp
- Giá thành cao nên mức khấu hao lớn.
Một máy gia công CNC (hay còn gọi là một hệ thống gia công) theo
nguyên lý điều khiển số có sáu thành phần cơ bản sau:
1/ Chơng trình gia công NC ( NC program) :

- 19 -


Đợc viết theo ngôn ngữ lập trình của máy thể hiện dới dạng các số và
chữ cái qui ớc. Hệ CNC có chức năng tạo lập các tín hiệu điều khiển cần thiết
cho quá trình gia công nh điều khiển trục chính quay, điều khiển cho dao
dịch chuyển trong quá trình cắt theo đờng thẳng, cung tròn, chu trình... phù
hợp với biên dạng gia công. Ngoài ra hệ CNC còn phải tạo lập các lệnh NC để
thực hiện các chức năng khác nh thay dụng cụ cắt, đóng mở chất làm mát...
2/ Thiết bị nạp chơng trình (Program Input Device)
Thiết bị nạp chơng trình vào máy thông thờng là bàn phím gắn theo
máy. Các máy gia công hiện đại có thể cho phép nạp chơng trình có sẵn vào
máy theo đờng cáp truyền dữ liệu hoặc đĩa mềm.
3/ Hệ điều khiển máy (MCU = Machine Control Unit)
Hệ điều khiển máy hoạt động trên cơ sở phần cứng (hardware) và phần
mềm (software). Phần cứng ở đây là hệ điều khiển và lập trình gia công CNC
do các hãng cung cấp nh hệ FANUC, MITSUBISHI, HEIDENHAIN... Phần
mềm điều khiển và lập trình CNC gồm có ba khối chính, đó là : Phần mềm vận
hành, phần mềm giao diện, phần mềm ứng dụng.
4/ Hệ khởi động ( Drive System)
5/ Máy gia công (Machine Tool), còn gọi là máy công tác nh máy tiện,
máy phay, máy khoan... Đây là các máy gia công thực hiện điều khiển theo
chơng trình số. ở máy CNC, phần lớn các nội dung chuẩn bị công nghệ có
thể thực hiện tách rời máy gia công, ví dụ : chuẩn bị công nghệ và lập trình NC
ở văn phòng với sự trợ giúp của máy tính, sau đó truyền tải chơng trình NC đã
lập và kiểm định tới máy CNC tại xởng để thực hiện
6/ Hệ phản hồi (Feedback System). Việc dịch chuyển theo trục X, trục Z
của dao hay chuyển động quay của trục chính liên tục đợc xác định. Các
thông tin đó đợc hệ phản hồi, phản ánh cho hệ điều khiển trung tâm để bộ xử
lý trung tâm xử lý số liệu và tiếp tục điều khiển đến khi nào đạt giá trị cần thiết

theo chơng trình thì kết thúc tín hiệu điều khiển đó.
Sau khi máy công cụ thông thờng đợc trang bị hệ điều khiển NC, đã
xuất hiện rất nhiều những kiểu, loại máy và phơng pháp gia công theo định
hớng NC. Các trung tâm gia công, các máy đột dập, máy LASER và máy tia

- 20 -


lửa điện dùng điện cực dây (Wire EDM) là những ví dụ ứng dụng NC. Sau đó
là xu hớng phát triển các máy có thể thực hiện tối đa nhiều phơng pháp gia
công trên một phôi trong một lần gá. Hệ thay dụng cụ, hệ thay bệ/phiến gá
phôi tự động và các thiết bị giám sát phối hợp với nhau nâng cao mức độ tự
động hoá của máy. Các bộ truyền, các hệ làm mát và các ổ đỡ trục mới ngăn
ngừa biến động về độ chính xác do biến dạng nhiệt của hệ thống công nghệ.
các đờng trợt và bộ truyền vít me- đai ốc có chuỗi các viên bi cầu lăn tuần
hoàn trên đờng ren có độ chính xác cao, không có khe hở. Cuối cùng, máy
phải có độ cứng vững tĩnh và động tơng ứng với giá trị gia tốc cao và tải trọng
lớn.
1.3.2. Hệ điều khiển máy gia công CNC
1.3.2.1. Các hệ thống điều khiển
* Điều khiển NC: Hệ thống điều khiển NC (Numerical Control ) hiện
nay vẫn còn đợc sử dụng nhng không phổ biến. Trong hệ thống điều khiển
này, các thông số hình học của chi tiết và các lệnh của máy đợc cho dới
dạng các dãy số.
Hệ điều khiển NC có một số nhợc điểm là tính linh hoạt kém. Khi cần
thay đổi cấu hình chi tiết thì phải thay đổi chơng trình gia công. Việc thay đổi
chơng trình gia công bằng cách làm mới hoặc sửa lại băng đục lỗ, điều này
gây mất thời gian và tốn kém.
* Điều khiển CNC: Đặc điểm của điều khiển CNC( Computer Numerical
Control) là có sự can thiệp, hỗ trợ của máy tính. Với hệ thống điều khiển này

thì trên máy đã có một chơng trình hệ thống CNC do nơi sản xuất máy chế
tạo, cài đặt vào máy tính kèm theo máy và đợc bảo vệ dới một mã nguồn bí
mật khiến cho ngời sử dụng máy không thể can thiệp đợc.
Ưu điểm của hệ điều khiển này là khi cần lập chơng trình gia công mới
hay sửa chữa chơng trình gia công cho phù hợp với sự thay đổi cấu hình sản
phẩm đợc tiến hành ngay trên máy nên rút ngắn thời gian chuẩn bị, giảm bớt
chi phí do không phải làm mới hay sửa chữa băng đục lỗ.
Hầu hết máy gia công sử dụng kỹ thuật CNC hiện đại còn có màn hình
đồ hoạ cho phép mô phỏng quỹ đạo dịch chuyển dao khi gia công vì thế giúp
cho ngời lập trình tránh đợc sai sót khi lập trình .

- 21 -


* Điều khiển DNC: Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical Control) để
biểu thị một hệ thống trong đó có nhiều máy NC đợc kết nối với một máy
tính qua đờng truyền dữ liệu. Đặc điểm của hệ thống này là cung cấp cho các
máy gia công riêng biệt các thông tin điều khiển là các chơng trình gia công.
các chơng trình gia công này đợc lu trữ trên các đĩa cứng của máy tính và
đợc gọi ra theo nhu cầu của từng máy gia công. Ưu điểm của hệ thống này là
có một th viện lu trữ thông tin trung tâm cho biết các thông tin của chơng
trình, của chi tiết gia công và dụng cụ. Khả năng truyền dữ liệu nhanh, tin cậy.
Có khả năng ghép nối vào hệ thống gia công linh hoạt.
* Điều khiển thích nghi: Các hệ thống điều khiển trên tuy có khả năng
tự động hoá cao nhng vẫn có những mặt mang tính áp đặt, các chế độ công
nghệ đợc định ra ngay khi lập trình (trớc khi gia công) nên đã không phát
huy đợc tối đa hiệu quả hoặc không tránh đợc sự cố phát sinh trong quá
trình gia công, chẳng hạn nh khi gặp vùng vật liệu có độ cứng cao hay khi
dao mòn, lực cắt tăng lên gây gẫy dao hoặc dừng máy do vợt quá công suất
động cơ.

Điều khiển thích nghi (AC Adaptive Control) là điều khiển tự động quá
trình gia công. Mục tiêu của điều khiển này là tự động thay đổi các thông số
công nghệ theo các ảnh hởng không thể dự kiến trớc trong quá trình gia
công nh nếu lực cắt tăng lên máy sẽ tự động giảm lợng chạy dao cho phù
hợp.
1.3.2.2 Các dạng điều khiển
* Điều khiển theo điểm: Là phơng thức điều khiển nhanh đồng thời
theo các trục nhằm xác định một vị trí nào đó theo yêu cầu.
Tuỳ theo dạng điều khiển, các trục có thể chuyển động kế tiếp nhau (
thực hiện từng trục một hình1.3a) hoặc tất cả các trục có chuyển động đồng
thời, khi đó giữa các trục có thể có hoặc không có quan hệ hàm số. Thông
thờng khi các trục có chuyển động đồng thời thì hớng của hai trục tạo thành
góc 450, trục nào hoàn thành trớc thì kết thúc dịch chuyển trớc, còn trục kia
sẽ tiếp tục thực hiện dịch chuyển dao đến vị trí yêu cầu ( hình 1.3b)

- 22 -


a

b

Hình 1.3: Các đờng chạy dao trong điều khiển theo điểm
Dạng điều khiển này thờng đợc ứng dụng trong các máy khoan toạ độ,
máy đột lỗ, máy hàn điểm tự động...
* Điều khiển theo đờng thẳng (tuyến tính): Dạng điều khiển này tạo ra
các đờng song song với với các trục của máy, trong quá trình dịch chuyển đó,
dao cắt gọt liên tục tạo nên bề mặt gia công. Nh vậy với dạng điều khiển này
ta chỉ có thể tạo ra mặt phẳng song song với từng trục (hình 1.4). Trong trờng
hợp mở rộng 2 trục của máy chuyển động với tốc độ nh nhau thì có thể gia

công đợc bề mặt nghiêng góc 45 trong một mặt phẳng cố định nào đó
(thờng là mặt xoy trên máy phay, mặt xoz trên máy tiện)

Hình 1.4: Các đờng chạy dao trong chuyển động theo đờng
* Điều khiển theo biên dạng (contour): Dạng điều khiển theo điểm, theo
đờng có rất nhiều hạn chế khi gia công các bề mặt phức tạp nh mặt cong,
mặt nghiêng...Dạng điều khiển theo contour cho phép khắc phục đợc các hạn
chế này. Bằng hình thức điều khiển này, ta có thể tạo ra các contour hoặc
đờng thẳng hay đờng cong tuỳ ý trong mặt phẳng nào đó hoặc trong không
gian. Nh thế có nghĩa là sẽ có nhiều trục chuyển động đồng thời và các trục
đó có mối quan hệ với nhau về mặt toán học (hàm số). Tuỳ theo số lợng các

- 23 -


trục đợc điều khiển đồng thời mà điều khiển theo contour đợc chia ra làm
các loại 2D, 3D, 4D.v.v
1.3.3. Các trục điều khiển NC (NC axises)
Khái niệm Trục trong kỹ thuật gia công NC là hớng chuyển dịch
chính (thẳng hoặc quay) mà theo hớng đó, chuyển động tơng đối của dụng
cụ (dao) và phôi gia công đợc thực hiện và đợc điều khiển bằng số (điều
khiển NC)
Hệ thống toạ độ có quan hệ mật thiết với chi tiết gia công và máy. Vì vậy
đối với bất kể máy nào khi lập trình cũng phải thống nhất coi vật là đứng yên
còn dụng cụ cắt chuyển động trong quá trình cắt.
Đối với các máy gia công CNC nói chung, ngoài các trục chính X, Y, Z
còn có thể có các trục sau:
-

Các chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z là A, B, C.

-

Các chuyển động thẳng song song với 3 trục X,Y,Z là U, V, W.

-

Các chuyển động không bắt buộc phải song song với X,Y,Z là P, Q,

R.
Trục R chủ yếu dùng ở các chu trình khoan (drilling cycles) ở dạng địa
chỉ ứng với mặt phẳng gốc chuẩn (reference surface) của phôi gia công, trục Z
đợc chuyển từ chế độ chạy nhanh không cắt gọt sang chế độ tiến dao để cắt.
Ngoài các trục NC kể trên, có những máy gia công còn có thể có thêm hai
trục quay thứ hai là D và E. Hai trục quay này là trục quay song song với trục
quay thứ nhất A, B hoặc C
Cần chú ý rằng, khi xác định chiều dơng của trục phải theo giả định là
dụng cụ cắt luôn luôn chuyển động và phôi gia công luôn luôn đứng im. Chiều
dơng của các trục trong trờng hợp này đợc xác nhận nh chiều dơng của
các chuyển động: +X, +Y, +Z, +A, +B, +C
Trong trờng hợp mà phôi gia công chuyển động (nh trên máy phay
chẳng hạn) thì chiều chuyển động và chiều của trục là ngợc nhau. Khi bàn
mang phôi chuyển động sang phải thì dụng cụ thực hiện chuyển động tơng
đối sang trái. Trong trờng hợp này phải cho chiều thực tế của trục, với địa chỉ
có thêm dấu nháy () ở trên đầu nh : +X, +Y... Qui định này có u điểm là

- 24 -