Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ chính xác gia công khi gia công vật liệu nhôm trên máy phay CNC

TRẦN VIẾT HỒI

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

TRẦN VIẾT HỒI

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC
GIA CÔNG KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU NHÔM TRÊN MÁY PHAY CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

KHOÁ 2009 - 2011
Hà Nội – Năm 2011


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

TRẦN VIẾT HỒI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ CHÍNH
XÁC GIA CÔNG KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU NHÔM TRÊN MÁY
PHAY CNC

Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS: PHẠM VĂN BỔNG

Hà Nội - Năm 2011


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 nào khác trừ các phần
tham khảo đã được nêu rõ trong luận văn.

Tác giả

Trần Viết Hồi


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Văn Bổng, người đã hướng dẫn và
giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và
hoàn chỉnh luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Chế tạo máy,
Viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Ban lãnh đạo Viện
đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều
kiện thuận lợi để hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn Bộ môn Gia công cơ khí - TT Việt – Nhật

trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả thực hiện đề
tài.
Do năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu
sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo, các
nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Trần Viết Hồi


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ chính xác gia công khi gia
công vật liệu nhôm trên máy phay CNC

Tác giả luận văn: Trần Viết Hồi
Người hướng dẫn: TS Phạm Văn Bổng
Nội dung tóm tắt:

Khóa: 2009 -2011

a) Lý do chọn đề tài
Khả năng làm việc của chi tiết máy quyết định bởi chất lượng của sản phẩm,
trong đó có các thông số về chất lượng bề mặt làm việc. Để giải quyết vấn đề đó thì
ta phải tìm được mối quan hệ giữa các thông số chất lượng bề mặt (Ra) với các điều
kiện gia công như chế độ cắt (V, S, t). Từ mối quan hệ đó điều khiển các thông số
công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết máy từ đó tăng năng suất và hạ giá
thành sản phẩm đồng thời tiến tới tối ưu hóa quá trình cắt gọt.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
+Mục đích

Mục đích nghiên cứu của đề tài là tìm ra mối quan hệ của chất lượng bề mặt chi tiết
máy (Ra) với các thông số chế độ cắt (V, S, t) khi gia công hợp kim nhôm trên máy
phay CNC.
+ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC.
- Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi gia công hợp kim
nhôm trên máy phay CNC.
- Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy gồm
nhiều yếu tố như thông số chế độ cắt, thông số hình học của dao...
c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
+ Nội dung gồm bốn chương cơ bản
Chương 1: Tổng quan về gia công trên máy phay CNC, các ứng dụng và công
nghệ CAD/CAM–CNC được sử dụng trên máy phay khi gia công chi tiết. Tổng quan
về hệ thống máy phay CNC được sử dụng.
Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa chế độ cắt và chất
lượng bề mặt. Bao gồm các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt. Mối quan hệ


giữa chất lượng bề mặt khi gia công phay. Từ những phân tích đó tìm ra nội dung
nghiên cứu phù hợp với khuôn khổ của luận văn thạc sĩ.
Chương 3: Đề cập đến hợp kim nhôm, khái niệm, đặc điểm, tính gia công của hợp
kim nhôm. Từ đó nghiên cứu xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa
các yếu tố của chế độ cắt khi phay hợp kim nhôm. Đưa ra các vấn đề khi xử lý khi
thực nghiệm và xử lý số liệu.
Chương 4: Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt khi
gia công các vật liệu hợp kim nhôm trên máy phay CNC, thí nghiệm, các kết quả thực
nghiệm, xử lý kết quả để tìm ra quan hệ toán học giữa độ nhám bề mặt (Ra) và các
thông số công nghệ (V, S, t). Dựa vào quan hệ đó đưa ra các kết luận về việc điều
chỉnh máy sao cho gia công đạt năng suất cao mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt.
+ Đóng góp mới của tác giả

Từ cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn đưa ra được hàm toán học
mô tả mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và thông số chế độ cắt để làm cơ sở cho các
nhà công nghệ chọn chế độ cắt sau đó điều khiển nó theo yêu cầu của mình và cũng
làm cơ sở cho các quá trình nghiên cứu khác cũng như hỗ trợ thiết kế các phần mềm
trợ giúp cho điều khiển chế độ cắt.
d) Phương pháp nghiên cứu
Thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công trên máy phay CNC và các hiện tượng xảy ra
trong quá trình cắt gọt.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm khi phay hợp kim nhôm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.
e) Kết luận
Với ba yếu tố của chế độ cắt là (V, S, t), đưa ra các kết quả thí nghiệm cho thấy
ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim nhôm trên máy
phay CNC.Từ cơ sở tổng hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, đề tài đã xác lập được
mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ là:
Ra = e6,1749.V-0,8758.S0,7151.t0,3025, kết quả này phù hợp với cơ sở nghiên cứu lý thuyết về
mối quan hệ giữa chế độ cắt với độ nhám bề mặt.


MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... 5
PHẦN MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 7
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC.....................11
1.1 Ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM – CNC trong máy phay hiện nay ............................ 11
1.1.1. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM - CNC ................................................ 11
1.1.2. Máy phay CNC và ứng dụng CAD/CAM trong gia công phay CNC .............. 16
1.1.2.1 Tổng quan về máy phay CNC .............................................................. 16

1.1.2.2 Ứng dụng CAD/CAM trong gia công phay CNC ................................... 21
1.1.3 Các nghiên cứu về mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lƣợng bề mặt khi gia
công trên máy phay CNC ......................................................................................... 21
CHƢƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ
ĐỘ CẮT VỚI CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT ................................................................. 23
2.1 Quá trình cắt và tạo phoi khi phay ........................................................................ 23
2.1.1 Biến dạng dẻo và việc tạo phoi ..................................................................... 23
2.1.2 Một số hiện tƣợng xảy ra trong quá trình cắt và ảnh hƣởng của nó đến chất lƣợng
bề mặt .................................................................................................................... 26
2.1.2.1 Hiện tƣợng phoi bám ........................................................................... 26
2.1.2.2 Hiện tƣợng nhiệt phát sinh trong quá trình cắt ........................................ 29
2.1.2.3 Rung động xảy ra trong quá trình cắt ..................................................... 34
2.1.2.4 Hiện tƣợng biến cứng bề mặt................................................................ 36
2.2 Mối quan hệ giữa chế độ cắt và chất lƣợng bề mặt khi gia công phay ...................... 37
2.2.1 Khái niệm về chất lƣợng bề mặt ................................................................... 37
2.2.2 Sự ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt ....................................... 40
2.2.2.1 Sự ảnh hƣởng của vận tốc cắt V đến độ nhám bề mặt.............................. 41
2.2.2.2. Sự ảnh hƣởng của lƣợng tiến dao ......................................................... 41
2.2.2.3. Sự ảnh hƣởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt ............................. 43

1


CHƢƠNG III: QUÁ TRÌNH CẮT KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU CÓ TÍNH DẺO CAO
VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT
VỚI CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG NHÔM TRÊN MÁY PHAY CNC .. 45
3.1 Đặc điểm khi gia công vật liệu có tính dẻo cao ...................................................... 45
3.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm ............................................ 45
3.1.2. Tính gia công của hợp kim nhôm ................................................................ 47
3.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ

cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC ..................... 48
3.2.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt với độ nhám bề mặt khi gia công hợp
kim nhôm ............................................................................................................... 48
3.2.1.1 . Mối quan hệ giữa vận tốc cắt với độ nhám bề mặt khi gia công hợp
kim nhôm .............................................................................................................. 48
3.2.1.2. Mối quan hệ giữa lƣợng chạy dao với độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim
nhôm...................................................................................................................... 50
3.2.1.3. Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt với độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim
nhôm...................................................................................................................... 52
3.2.2. Mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa chế độ cắt với độ nhám bề mặt .. 54
3.3 Những vấn đề cần lƣu ý khi thực nghiệm và xử lý số liệu ....................................... 55
3.3.1 Sai số và khử sai số trong quá trình thực nghiệm ............................................ 55
3.3.1.1 Các loại sai số ..................................................................................... 55
3.3.1.2. Phƣơng pháp khử sai số thô ................................................................. 56
3.3.2.. Kiểm tra tính đồng nhất của các thí nghiệm ................................................. 58
3.3.3 Chọn công thức thực nghiệm và phép làm trơn .............................................. 59
3.3.3.1. Chọn bậc tối thiểu của đa thức ............................................................. 59
3.3.3.2. Chọn giữa các công thức khác nhau ..................................................... 61
3.3.3.3. Làm trơn các số liệu thực nghiệm......................................................... 61
3.4 Xác định tham số công thức thực nghiệm bằng phƣơng pháp bình phƣơng nhỏ
nhất ....................................................................................................................... 62
3.4.1 Xác định tham số của hàm tuyến tính............................................................ 63

2


3.4.2 Kiểm định các tham số aj và khoảng xác định sai lệch của chúng ..................... 68
CHƢƠNG IV: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT
VỚI CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG HỢP KIM NHÔM TRÊN MÁY
PHAY CNC ........................................................................................................... 70

4.1. Hệ thống thí nghiệm .......................................................................................... 70
4.1.1. Sơ đồ thí nghiệm........................................................................................ 70
4.1.2. Dụng cụ cắt và phôi dùng trong thực nghiệm ................................................ 71
4.1.3. Máy gia công và thiết bị đo dùng trong thực nghiệm ..................................... 72
4.2. Xác định chế độ cắt dùng trong thực nghiệm ........................................................ 74
4.3. Kết quả đo thực nghiệm và xử lý kết quả ............................................................. 76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 83
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 87

3


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Cấp nhẵn bóng theo TCVN2511 – 95 .....................................................39
Bảng 3.1: Thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhôm ............................................46
Bảng 3.2: Kết quả đo độ nhám bề mặt khi gia cắt với vận tốc cắt thay đổi..............48
Bảng 3.3: Kết quả đo độ nhám bề mặt khi gia cắt với lƣợng tiến dao thay đổi............................51
Bảng 3.4 : Kết quả đo độ nhám bề mặt khi gia cắt với chiều sâu cắt thay đổi.........53
Bảng 3.5: Các thí nghiệm để kiểm tra tính đồng nhất giữa các thí nghiệm .............58
Bảng 4.1: Các giá trị thực nghiệm ..........................................................................75
Bảng 4.2: Quy hoạch thực nghiệm khi đo độ nhám..................................................75
Bảng 4.3: Kết quả đo độ nhám ...............................................................................................76
Bảng 4.4: Số liệu xử lý kết quả đo ...........................................................................................76
Bảng 4.5: Giá trị hồi quy thực nghiệm của phƣơng trình hàm 4.21........................ 78

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quá trình chế tạo sản phẩm ......................................................................12
Hình 1.2: Quy trình xử lý thông tin trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC......................14
Hình 1.3: Sơ đồ CIM ................................................................................................15
Hình 1.4: Mức tiếp cận CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm ......................16
Hình 1.5: Nguyên lý kỹ thuật CAD/ CAM-CNC ....................................................16
Hình 1.6: Ký hiệu các trục toạ độ trên máy ............................................................17
Hình 1.7: Các trục trên máy phay CNC ...................................................................19
Hình 1.8: Cách chọn gốc toạ độ trên máy phay CNC.............................................. 20
Hình 1.9: Mối quan hệ giữa CAD/CAM và CNC ................................................... 21
Hình 2.1: Sơ đồ hóa miền tạo phoi.......................................................................... 23
Hình 2.2: Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau ............................................23
Hình 2.3: Miền tạo phoi ...........................................................................................24
Hình 2.4: Các dạng phoi cắt .....................................................................................26
Hình 2.5: Ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến lẹo dao..................................................... 27
Hình 2.6: Quan hệ giữa chiều dày cắt với tố độ hình thành và chiều cao lẹo dao... 28
Hình 2.7: Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt .............................................................30
Hình 2.8: Ảnh hƣởng của v đến nhiệt cắt ............................................................... 32
Hình 2.9: Ảnh hƣởng của v đến nhiệt cắt với các loại vật liệu cắt khác nhau......... 32
Hình 2.10: ảnh hƣởng của chiều dày cắt a đến nhiệt cắt ......................................... 33
Hình 2.11: Ảnh hƣởng của b đến nhiệt cắt.............................................................. 33
Hình 2.12: Các yếu tố hình học của lớp bề mặt .......................................................38
Hình 2.13: Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt .................................................. 38
Hình 2.14: Mối quan hệ giữa vận tốc ......................................................................41
Hình 2.15: Ảnh hƣởng của lƣợng tiến dao (S) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (R z) ..43
Hình 2.16: Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt t và độ nhám bề mặt Ra .......................44
Hình 3.1: Mối quan hệ giữa vận tốc cắt V và độ nhám Ra ......................................50
Hình 3.2: Mối quan hệ giữa lƣợng tiến dao S và độ nhám Ra .................................52
Hình 3.3: Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt t và độ nhám Ra ....................................54

5

Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm.......................................................................................................70
Hình 4.2: Sơ đồ đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt ...........................................................70
Hình 4.3: Dụng cụ cắt dùng trong thực nghiệm .......................................................71
Hình 4.4: Thực nghiệm với phôi là hợp kim nhôm 6061 .........................................72
Hình 4.5: Máy phay CNC Takisawa MAC-V40......... .............................................73
Hình 4.6: Máy đo độ nhám SJ-400 ..........................................................................74
Hình 4.7: Đồ thị quan hệ độ nhám Ra với V,S khi gia công hợp kim nhôm ..........80
Hình 4.8: Đồ thị quan hệ độ nhám Ra với V,t khi gia công hợp kim nhôm ............81
Hình 4.9: Đồ thị quan hệ độ nhám Ra với S,t khi gia công hợp kim nhôm .............82

6


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Hiện nay ở Việt Nam xu hƣớng sử dụng máy gia công cắt gọt hiện đại điều
khiển theo chƣơng trình số (NC, CNC) nhƣ máy tiện, máy phay 3 trục, 4 trục, 5
trục, máy phay tốc độ cao, trung tâm gia công tiện – phay ... để nâng cao chất lƣợng
và giảm giá thành sản phẩm đã khá phổ biến. Điều đó cho thấy là chất lƣợng sản
phẩm đã đƣợc nâng cao, áp lực công việc của ngƣời thợ giảm. Tuy nhiên giá thành
chƣa giảm, chi phí gia công còn cao so với máy vạn năng vì hiệu quả khai thác sử
dụng chƣa hợp lý. Một trong những nguyên nhân của sự tăng chi phí đó chính là
các nhà công nghệ chƣa chọn đƣợc chế độ cắt phù hợp cho nhóm máy này khi gia
công các loại vật liệu khác nhau. Nhƣ vậy việc nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt
phù hợp cho máy phay CNC khi gia công hợp kim nhôm là một yêu cầu cấp thiết
đặt ra cho các nhà nghiên cứu.
Nhƣ ta đã biết, khả năng làm việc của chi tiết máy quyết định bởi chất lƣợng
của sản phẩm, trong đó có các thông số về chất lƣợng bề mặt làm việc. Vì vậy muốn

đạt đƣợc khả năng làm việc của chi tiết máy hiệu quả nhất thì phải đảm bảo yêu cầu
về chất lƣợng bề mặt. Để giải quyết vấn đề đó thì ta phải tìm đƣợc mối quan hệ giữa
các thông số chất lƣợng bề mặt nhƣ Ra, Rz,...với các điều kiện gia công nhƣ chế độ
cắt (V, S, t), thông số hình học của dao ...Từ mối quan hệ đó thì ngƣời làm công
nghệ có thể điều khiển các thông số công nghệ của máy và dao để đảm bảo chất
lƣợng bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công, tăng năng suất và hạ giá thành
sản phẩm đồng thời tiến tới tối ƣu hóa quá trình cắt gọt.
Với nhóm loại vật liệu có tính dẻo cao thì điều kiện gia công cũng nhƣ các
thông số của chế độ cắt ảnh hƣởng rất lớn tới chất lƣợng bề mặt chi tiết. Xuất phát
từ những đặc điểm và tình hình trên tác giả chọn đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ chính xác gia công khi gia
công vật liệu nhôm trên máy phay CNC”.

7


2. Lịch sử nghiên cứu.
Đặc tính của vật liệu là cơ sở điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo
chất lƣợng bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công, xác lập mối quan hệ giữa
độ nhám bề mặt (đầu ra) với thông số công nghệ (đầu vào) sau đó dựa vào mối quan
hệ đó để lựa chọn chế độ cắt phù hợp cho máy và dao trong quá trình gia công đạt
đƣợc yêu cầu chất lƣợng bề mặt.
Từ yêu cầu cấp thiết của thực tế sản xuất, nên những đề tài nghiên cứu ứng
dụng nhằm khai thác hiệu quả máy CNC là khá lớn trong các đề tài nghiên cứu
khoa học, luận án tiến sỹ, luận văn thạc sỹ, có thể kể đến: Khảo sát thực nghiệm về
ảnh hưởng của các thông số công nghệ V, t, S đến lực cắt trên máy tiện CNC, luận
văn cao học, ĐHBKHN (2005), Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 105 (12/2005) Trần
Xuân Việt, Phạm Văn Bổng; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt
khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Nguyễn Trọng Bình, Hoàng
Việt Hồng; Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt chi

tiết máy khi gia công vật liệu Nhôm và hợp kim Nhôm trên máy phay CNC,Tạp chí
Cơ khí Việt Nam, Số 61 (6/2002), Nguyễn Quốc Tuấn; Nghiên cứu ảnh hưởng của
các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy
phay CNC, luận văn cao học, ĐHBKHN (2002), Nguyễn Ngọc Ánh; Nghiên cứu
các ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi
gia công trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 60 (5/2002), Phan Công
Trình; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay bằng dao phay mặt
đầu trên máy phay CNC, Hà Quang Sáng; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng
mòn dao khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt
Nam, Số 61 (6/2002)
Những đề tài trên có nhiều đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hƣởng của các
thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, càng chứng tỏ việc nghiên cứu ảnh hƣởng
của các thông số công nghệ đến chất lƣợng bề mặt chi tiết máy là rất quan trọng và
cần thiết.
3. Đối tƣợng nghiên cứu

8


Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là:
- Chất lƣợng bề mặt khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC
- Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi gia công hợp kim
nhôm trên máy phay CNC.
- Ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến chất lƣợng bề mặt chi tiết máy gồm
nhiều yếu tố nhƣ thông số chế độ cắt, thông số hình học của dao... Mục đích nghiên
cứu của đề tài là tìm ra mối quan hệ của chất lƣợng bề mặt chi tiết máy (Ra) với các
thông số chế độ cắt (V, S, t) khi phay hợp kim nhôm trên máy phay CNC.
- Máy thực nghiệm: máy phay CNC Takisawa MAC –V40.
- Vật liệu gia công: hợp kim nhôm 6061.
- Dụng cụ cắt: dao phay mặt đầu 60 ; Z = 3 răng

- Đối tƣợng gia công: phay mặt phẳng
- Thiết bị đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt Mitutoyo SJ 400 – Nhật Bản
4.Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
+ Những luận điểm cơ bản
Tổng quan gia công trên máy phay CNC, ứng dụng của kỹ thuật CAD/CAM
–CNC trong hệ thống máy phay CNC. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mối quan hệ
giữa chế độ cắt với chất lƣợng bề mặt. Từ đặc điểm của vật liệu có tính dẻo cao đƣa
ra mô hình thực nghiệm về mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lƣợng bề mặt khi
gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC.
- Khái quát về chất lƣợng bề mặt gia công và các yếu tố ảnh hƣởng đến các thông
số đặc trƣng cho chất lƣợng bề mặt gia công;
- Nghiên cứu tổng quan về gia công trên máy phay CNC
- Đánh giá chất lƣợng bề mặt khi gia công trên máy phay CNC
- Thực nghiệm với điều kiện thực tế, đo và kiểm tra kết quả thực nghiệm. Xử lý
số liệu, xây dựng mô hình thực nghiệm về quan hệ giữa độ nhám bề mặt gia công
với chế độ cắt khi khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC.
+ Những đóng góp mới của tác giả

9


Các kết quả nghiên cứu trên của tác giả sẽ đóng góp thêm vào ngân hàng tra
cứu cho các nhà công nghệ trong quá trình khai thác và sử dụng máy phay CNC với
hiệu quả cao nhất để gia công chi tiết đảm bảo yêu cầu của chất lƣợng bề mặt. Làm
cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình cắt.
Từ cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn đƣa ra đƣợc hàm toán
học mô tả mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và thông số chế độ cắt để làm cơ sở
cho các nhà công nghệ chọn chế độ cắt sau đó điều khiển nó theo yêu cầu của mình
và cũng làm cơ sở cho các quá trình nghiên cứu khác cũng nhƣ hỗ trợ thiết kế các
phần mềm trợ giúp cho điều khiển chế độ cắt..

Lựa chọn chế độ công nghệ khi lập trình một chƣơng trình NC cho máy và
khai thác triệt để máy hơn góp phần vào việc nâng cao năng suất và hạ giá thành sản
phẩm.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Đề tài đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công trên máy phay CNC và các hiện tƣợng xảy
ra trong quá trình cắt gọt.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm khi phay hợp kim nhôm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.

10


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC
1.1 Ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM – CNC trong máy phay hiện nay
1.1.1. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM - CNC
Vào giữa thế kỷ XX, nền kinh tế thế giới đã có những bƣớc tiến lớn mang
tính toàn cầu. Các hệ thống máy móc, thiết bị cũ không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu
của con ngƣời trong việc phát triển kinh tế cũng nhƣ chinh phục tự nhiên. Ý tƣởng
chế tạo ra một máy gia công tự động thực hiện quá trình cắt gọt đã đƣợc 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), để giành đƣợc ƣu thế mọi mặt thì việc thiết kế, chế tạo ra các loại
máy móc, thiết bị, vũ khí mới đã trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Chính vì lẽ đó,
việc nghiên cứu, chế tạo máy gia công tự động đã có kết quả bƣớc đầu ngay từ
những năm 50. Nhƣng phải đến những năm 70, với sự bùng nổ của khoa học về
công nghệ thông tin đã thúc đẩy và đƣa 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 đƣợc khai thông. Quá trình từ khi có ý tƣởng về sản phẩm hay vật mẫu đến khi

chế tạo ra sản phẩm đƣợc rút ngắn, sản phẩm đa dạng và phong phú hơn bao giờ
hết, đáp ứng nền kinh tế thị trƣờng.
Quá trình chế tạo sản phẩm nói chung có thể khái quát qua sơ đồ (hình 1.1).
Quá trình thiết kế sản phẩm trƣớc đây thƣờng rất dài vì thiếu công cụ thiết kế. Quá
trình chế tạo sản phẩm gặp nhiều khó khăn vì thiết bị không đáp ứng đƣợc, có
những công đoạn phải làm thủ công nên mất thời gian. Quá trình Marketting thƣờng
diễn ra chậm. Nhƣ vậy quá trình chế tạo sản phẩm từ khi có ý tƣởng đến khi đƣa
đƣợc sản phẩm đến với tay ngƣời tiêu dùng là cả một chặng đƣờng dài. Chính vì lẽ
đó nó không thể đáp ứng đƣợc với cơ chế thị trƣờng.
Quá trình chế tạo sản phẩm hiện nay có bƣớc đột phá. Ý tƣởng về sản phẩm
đƣợc thiết kế ngay trên máy tính bằng phần mềm Autocad hay các phần mềm thiết
kế khác nhƣ SolidWork, Inventor... và phần mềm hỗ trợ kiểm tra phù hợp. Việc
thiết kế sản phẩm còn đƣợc hỗ trợ bởi thiết bị dò hình số hoá hay thiết bị tạo mẫu

11


nhanh. Sau khi có thiết kế, chuỗi liên hoàn CAD/CAM đã cho phép chuyển đổi bản
vẽ sang chƣơng trình gia công tự động. Quá trình chế tạo sản phẩm (CAM) đã đƣợc
tự động hoá cao, gia công đƣợc 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 tƣởng về sản
phẩm hoặc sản phẩm
mẫu

Thu thập thông tin liên
quan để nghiên cứu thiết kế

Thiết kế

sản phẩm

QUÁ
TRÌNH

Kiểm tra đánh giá chất
lƣợng

Hiệu chỉnh thiết kế
hoặc đổi mới thiết kế

Hoạch định quy
trình công nghệ

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

Chế tạo
thử

THIẾT
KẾ

Chế tạo chi
tiết
QUÁ
TRÌNH

Đóng gói
dán nhãn

Kiểm tra chất
lƣợng sản phẩm

Tổ chức
mạng lƣới
tiêu thụ

Lắp ráp sản phẩm

CHẾ
TẠO

Tổ chức dịch vụ
sửa chữa bảo
hành

Thu thập thông
tin về sản phẩm

Đƣờng đi của quá trình
Đƣờng phản hồi
Hình 1.1: Quá trình chế tạo sản phẩm

12

QUÁ TRÌNH
MARKETTING

Để việc ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM-CNC đạt đƣợc 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.
- Chi phí sản xuất giảm vì giảm bớt đƣợc công chuẩn bị sản xuất. Sử dụng
có hiệu quả hơn về máy, về nguyên liệu.
- Tiết kiệm đƣợc thời gian, tăng cƣờng tính linh hoạt do khả năng đáp ứng
nhanh các đòi hỏi thay thế về cấu hình sản phẩm.
- Thể hiện tính nhất quán.
Ngày nay, giải pháp lập trình CAD/CAM-CNC đã đƣợc nghiên cứu, tạo lập
và ứng dụng trong đào tạo, sản xuất, với ý tƣởng ẩn sâu là sử dụng duy nhất 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 nhƣ trong
quá trình sản xuất chế tạo sản phẩm.
Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC có thể khái quát qua sơ đồ
(hình 1.2).
Xu hƣớng hiện nay, việc hoạch định quy trình công nghệ thƣờng đƣợc định
hƣớng 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 đã cho phép
dễ dàng thực hiện linh hoạt hoá. Với định hƣớng này, dây chuyền gia công chi tiết
cơ khí có thể thực hiện theo một trong các phƣơng án sau:
+ Phƣơng án 1: Dùng máy vạn năng kết hợp gá lắp, điều chỉnh theo nhóm
chi tiết.
+ Phƣơng án 2: Dùng máy chuyên dùng đơn giản có khả năng điều chỉnh
theo nhóm chi tiết gia công.

13

+ Phƣơng 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 hƣớng 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 nhƣng vai trò của con ngƣời trong đó có ý nghĩa quyết định.
Chƣơng trình gia công NC, CNC dù có đƣợc xây dựng từ chuỗi liên thông thì cũng
không thể đáp ứng với mọi loại máy, mọi loại vật liệu, mọi phƣơng thức gia công...
mà thể hiện rõ nhất là việc sử dụng chế độ cắt trên máy.
Bắt đầu hệ thống
CAD/CAM
Tạo lập mô 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 chƣơng trình
gia công NC

Tệp dữ liệu về máy
CNC

Xuất băng lỗ NC (ghi
chƣơng trình gia công
NC)
Gia công chi tiết trên
máy CNC
Hình 1.2 : Quy trình xử lý thông tin trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC

14


 . Các thuật ngữ
- CIM (Computer Intergrated Manufacturing - Công nghệ chế tạo tích hợp với
máy tính). CIM nghĩa là sự kết hợp tất cả các bộ phận phòng ban từ phong Kế
hoạch, phòng thiết kế, phòng Marketting đến phòng kiểm tra chất lƣợng sản phẩm
thông qua
mạng máy tính (hình 1.3).
P. Kế hoạch

P.Thiết kế

P.Marketting

P. KCS

CIM
Hình 1.3: Sơ đồ CIM

Với sự trợ giúp của máy tính thì tiến trình của mỗi bộ phận trở nên rõ ràng
hơn so với các bộ phận khác vì chúng sử dụng thông tin từ một quỹ chung.
Trong hệ thống CIM, các bộ phận khác nhau có hệ thống phần cứng và phần
mềm phát triển riêng biệt theo sắp đặt trƣớc, tuỳ theo nhu cầu của từng bộ phận.
- CAD – Computer Aided Design

Bộ phận thiết kế

- CAE – Computer Aided Enginering
- CAM – Computer Aided Manufactering  Bộ phận sản xuất
- DNC – Direct Numerical Control
- PPC – Production Planning Control

Bộ phận quản lý đặt hàng

 Tích hợp CAD và CAM
 Các mức tiếp cận của kỹ thuật CAD/CAM-CNC:
CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm đƣợc kết nối theo sơ đồ sau (hình
1.4):

15


CAD

Hardware
+ Scanner
+ Digitizer
+ Digital
+ Camera

CAM

Software

Hardware

Software

+ Auto CAD

Máy công cụ CNC

+ Cimatron

+ SolidWorks
+ Designer

Robot (IR)

+ Catia
+ DENFORD

+Auto Architec
(AUTO-DESK,
SOFT-DESK…)

Trung tâm tế bào

+ Master CAM

gia công CNC.

+ Heidenhain

FMS DESK…)

+ Boxfort

MTS, v.v…
Hình 1.4: Mức tiếp cận CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm
 Nguyên lý CAD/CAM – CNC
Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật CAD/CAM (hình 1.5):

Nhu cầu
sx, tiêu
dùng

Giao diện dữ liệu (tiêu

Giao diện dữ liệu (tiêu

chuẩn/chuyên dụng)

chuẩn/chuyên dụng)

CAD

CAM

CNC

Đối tƣợng
sx (Chi tiết,
sản phẩm)

Hình 1.5: Nguyên lý kỹ thuật CAD/ CAM-CNC
1.1.2. Máy phay CNC và ứng dụng CAD/CAM trong gia công phay CNC
1.1.2.1 Tổng quan về máy phay CNC
a. Hệ toạ độ và các trục chuyển động trên máy phay CNC
Để xác định các tƣơng quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong
phạm vi chi tiết gia công một cách rõ ràng ngƣời ta đƣa vào các hệ toạ độ và các
điểm gốc chuẩn. Để thống nhất hoá mối tƣơng quan cho các máy công cụ điều

16


khiển số khác nhau, ngƣời ta tiêu chuẩn hoá các trục của hệ toạ độ và chiều chuyển
động của chúng.
Ví dụ theo tiêu chuẩn ISO 841 hay tiêu chuẩn DIN 66127 thì hệ thống trục toạ
độ cho các máy điều khiển số đƣợc xác định nhƣ sau:
Các chiều chuyển động của máy công cụ điều khiển số đƣợc xác định bởi hệ
toạ độ 3 trục vuông góc với nhau theo qui tắc bàn tay phải (hình 1.6). Hệ toạ độ này
luôn luôn đƣợc gán lên chi tiết gia công.
Khi lập trình, chi tiết luôn đƣợc coi là đứng yên. Các chuyển động luôn thuộc
về dao cụ. Trong thực tế trên từng loại máy cụ thể thì việc qui định này không hoàn
toàn đúng bởi vì có những máy trong quá trình gia công thì chi tiết có thể tham gia
thực hiện một vài chuyển động, điều này dễ làm cho ngƣời vận hành nhìn nhận
không chính xác về hƣớng chuyển động của các trục.
Các trục quay tƣơng ứng với trục X,Y, Z đƣợc kí hiệu là A, B, C. Chiều quay

dƣơng (positive) tƣơng ứng với chiều quay thuận chiều kim đồng hồ (CW=Counter
clockwise) khi ta nhìn theo chiều dƣơng của trục tịnh tiến.

Hình 1.6: Ký hiệu các trục toạ độ trên máy
Để bố trí thứ tự CNC
của các trục toạ độ phù hợp với các chiều chuyển động của
máy, tiêu chuẩn ISO 841 hay DIN 66127 qui định:
Trục toạ độ Z
Nếu các máy có trục chính không xoay nghiêng đƣợc thì trục Z nằm song
song với trục chính công tác hoặc chính là đƣờng tâm trục đó.

17


Nếu trục chính của máy xoay nghiêng đƣợc và chỉ có một vị trí xoay nghiêng
song song với một trục toạ độ nào đó thì chính trục toạ độ là trục Z.
Nếu trục chính xoay nghiêng đƣợc song song với nhiều trục toạ độ khác nhau
thì trục Z chính là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy.
Nếu trục chính xoay nghiêng đƣợc theo một hƣớng nghiêng với chính nó thì
trục này ký hiệu là W.
Nếu máy có nhiều trục chính công tác thì ta sẽ chọn một trong số trục đó làm
trục chính theo cách ƣu tiên trục nào có đƣờng tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết.
Còn nếu máy không có trục chính công tác thì trục Z cũng là trục vuông góc
với bàn kẹp chi tiết.
Trục toạ độ X
Trục X là trục toạ độ nằm trên mặt định vị hay song song với bề mặt kẹp chi
tiết,
thƣờng đƣợc ƣu tiên theo phƣơng nằm ngang. Chiều của trục X đƣợc xác định nhƣ
sau:
Thứ nhất: Trên các máy có dao quay tròn

+ Nếu trục Z đã nằm ngang thì chiều dƣơng của trục X hƣớng về bên phải
khi ta nhìn từ trục chính hƣớng vào chi tiết.
+ Nếu trục Z thẳng đứng và máy có một thân máy thì chiều dƣơng của trục
X hƣớng về bên phải khi ta nhìn từ trục chính hƣớng vào chi tiết.
Nếu máy có hai thân máy thì chiều dƣơng của trục X hƣớng về bên phải nếu
ta nhìn từ trục chính hƣớng vào thân máy bên phải.
Thứ hai: Trên các máy có chi tiết quay tròn
+ Trên các máy có chi tiết gia công quay tròn thì trục X nằm theo phƣơng
hƣớng kính của chi tiết và chiều dƣơng của trục đi từ trục tâm chi tiết đến bàn kẹp
dao chính.
Thứ ba: Trên các máy không có trục chính công tác thì trục X đƣợc qui định
là trục song song theo hƣớng gia công chính.
Trục toạ độ Y

18


Vị trí của trục toạ độ Y sẽ đƣợc xác định sau khi đã xác định đƣợc hai trục toạ
độ Z và X.
Nếu ngoài các trục X,Y,Z mà máy còn có các trục điều khiển độc lập khác thì
ta cũng ký hiệu các trục nhƣ sau: Trục U(là trục // với trục X), V(là trục // với trục
Y) và trục W(là trục // với trục Z).
Các trục song song khác so với trục toạ độ chính sẽ nhận các ký hiệu tiếp theo
là P, Q, R. (Hình 1.7 mô tả các trục chính, các trục phụ và các trục quay trên máy
phay CNC)

Hình 1.7: Các trục trên máy phay CNC

19