Nghiên cứu công nghệ gia công chi tiết trên máy tiện CNC

LÊ NGỌC KÍNH

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

LÊ NGỌC KÍNH
`

CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIA CÔNG
CHI TIẾT TRÊN MÁY TIỆN CNC
CHUYÊN NGÀNH : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
KHÓA 2009 - 2011

TS. Hoàng Văn Gợt
GS.TS. Trần Văn Địch

Hà Nội - 2011


LỜI CÁM ƠN
Nghiên cứu khoa học phục vụ cho công cuộc “ Công nghiệp hoá, hiện đại
hoá Đất nước” là việc làm vô cùng quan trọng đối với nước ta hiện nay. Đề tài
“Nghiên cứu công nghệ gia công chi tiết trên máy tiện CNC” để xác định chế độ

công nghệ khi gia công trên máy tiện CNC nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai
thác, sử dụng máy được hoàn thành với sự giúp đỡ của rất nhiều cá nhân và tổ chức.
Trước tiên tôi xin được bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới TS Hoàng Văn Gợt
(Viện Nghiên cứu Cơ khí) và GS.TS Trần Văn Địch (Viện Cơ khí - ĐHBK Hà Nội)
là Thầy hướng dẫn khoa học đã định hướng và chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu từ tháng 3 năm 2010 đến nay;
Tôi xin được cám ơn tập thể các Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn Công
nghệ chế tạo máy và Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội;
Tôi xin được cám ơn tập thể các cán bộ, nhân viên phòng Kỹ thuật, phòng
Công nghệ, phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Hàn và sử lý bề mặt thuộc
Viện Nghiên cứu Cơ khí đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu.
Tôi xin được cám ơn Ban lãnh đạo, cán bộ nhân viên Viện đào tạo sau đại học
– Trường ĐHBK Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá
trình nghiên cứu.
Tôi xin được cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
trường Cao đẳng Nghề Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
trong quá trình nghiên cứu.
Ngày 20 tháng 9 năm2011
Học viên

Lê Ngọc Kính

1


LỜI CAM ĐOAN
Nội dung của luận văn là các nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết đến thực nghiệm
để xây dựng mô hình toán học xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy tiện
CNC nhằm mục đích giúp cho việc khai thác sử dụng máy tiện CNC hiệu quả hơn.
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi.

Tác giả

Lê Ngọc Kính

2


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................................ 1
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................................... 2
MỤC LỤC ...................................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ ................................................................................. 7
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................... 9
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................ 9
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 10
3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................................................. 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CNC VÀ TIỆN CNC 13

1.1 Lịch sử phát triển vè công nghệ CAD/CAM – CNC ........................ 13
1.3.2 Hệ điều khiển máy gia công CNC ................................................ 18
1.3.4 Hệ toạ độ và các điểm gốc lập trình gia công CNC quan trọng 25
1.3.5 Cách ghi kích thước trên bản vẽ .................................................. 28
1.3.6 Lập trình gia công trên máy tiện CNC ......................................... 29
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:......................................................................................................... 35
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................... 36

2.1. Quá trình cắt và tạo phoi ................................................................... 36
2.2. Các dạng phoi và sự biến dạng của phoi......................................... 38
2.2.1. Các dạng phoi ............................................................................... 38

2.3. Hiện tượng nhiệt phát sinh trong quá trình cắt .............................. 43
2.3.1. Nguồn sinh nhiệt và sự phân bố nhiệt ...................................... 43
2.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến sự phát sinh nhiệt cắt ............ 44
2.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công................ 49
2.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt cắt tới sự mòn và tuổi bền của dao ........ 50
2.4. Hiện tượng biến cứng bề mặt ............................................................ 50
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .......................................................................................................... 52

3


CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ VÁ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM....................................... 53

3.1. Sơ đồ thí nghiệm ................................................................................. 53
3.2. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................. 53
3.2.1. Máy gia công: Máy tiện CNC có các thông số cơ bản sau ........ 53
3.2.2. Dụng cụ cắt và phôi dùng trong thực nghiệm ............................ 54
3.2.3. Dụng cụ và thiết bị kiểm tra ........................................................ 54
3.2.4. Mô tả thí nghiệm .......................................................................... 56
3.3. Phương pháp thí nghiệm ................................................................... 56
3.3.1. Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm ........................ 56
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .......................................................................................................... 61
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THƯC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG KẾT QUẢ CỦA ĐỀ
TÀI.................................................................................................................................................. 62

4.1. Quy trình công nghệ chế tạo mẫu ..................................................... 62
4.2. Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học xác định độ nhám bề mặt
phụ thuộc vào thông số công nghệ (v, t, s) .............................................. 63
4.2.1. Khái quát về chất lượng bề mặt ................................................... 63
4.2.2. Lực cắt phụ thuộc vào thông số công nghệ v, t, s khi tiện mặt trụ

ngoài trên máy tiện CNC ....................................................................... 64
4.2.3. Sự ảnh hưởng của vận tốc cắt v đến độ nhám bề mặt............ 67
4.2.4. Sự ảnh hưởng của lượng tiến dao s đến độ nhám bề mặt ... 68
4.2.5. Sự ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến độ nhám bề mặt ........... 70
4.2.6. Kết quả thí nghiệm và sử lý số liệu thí nghiệm ........................ 70
4.3.1. Hàm mục tiêu về thời gian ......................................................... 77
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4:......................................................................................................... 84
KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................................. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 87

PHỤ LỤC …………………………………………………………………..90
PHỤ LỤC 1: Biên bản xác nhận thí nghiệm …………………..…………91
PHỤ LỤC 2: Giấy xác nhận bài báo …………………………………..….93

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CNC (Computer Numerical Control) - Điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính
CAD (Computer Aided Design)- Thiết kế có trợ giúp của máy tính
CAM (Computer Aided Manufacturing)- Sản xuất có trợ giúp của máy tính
AC (Adaptive Control)- Điều khiển thích nghi
ACC (Adaptive Control Constrain)- Điều khiển thích nghi cưỡng bức
ACO (Adaptive Control Optimation) – Điều khiển thích nghi tối ưu
NC (Numerical Control) - Điều khiển số
MCU (Machine Control Unit) - Hệ điều khiển máy
Ra - Độ nhấp nhô tế vi bề mặt
τ - Thời gian gia công
α- Góc sau chính của dao
γ- Góc trước của dao

S- Lượng tiến dao
V- Vận tốc cắt
t- Chiều sâu cắt
[X]- ma trận X
[Y] – ma trận Y

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Giới hạn thông số max, min ……………….……………………….…..59
Bảng 4.1 : Kết quả thí nghiệm ……………………………………………………73
Bảng 4.2 : Ma trận theo quả thí nghiệm ……………………………….…………74
Bảng 4.3 : Kết quả thí nghiệm giữa độ nhám với thời gian cắt mẫu……...………81

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ
HÌNH VẼ VÀ NỘI DUNG

TRANG

Hình 1.1: Sơ đồ lịch sử phát triển công nghệ CAD/CAM – CNC

12

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy CNC 2D với các trục NC
là X và Z.....................................................................................

17

Hình 1.3: Các đường chạy dao trong điều khiển theo điểm.............

20

Hình 1.4: Các đường chạy dao trong điều khiển theo đường..........

21

Hình 1.5: Điều khiển theo 3D..........................................................

22

Hình 1.6: Hệ trục toạ độ theo qui ước bàn tay phải.........................

23

Hình 1.7: Điểm không của máy tiện, phay CNC..............................

25

Hình 1.8: Điểm gốc và điểm cắt của dao..........................................

26

Hình 1.9: Ghi kích thước trên bản vẽ..............................................

27

Hình 1.10: Sơ đồ lập trình trên máy tiện CNC……………………

28

Hình 1.11: Hệ thống lập trình tự động............................................

31

Hình 2.1: Sơ đồ quá trình cắt và tạo phoi…………………………

35

Hình 2.2: Sự biến dạng kim loại trong vùng cắt..............................

36

Hình 2.3: Các loại phoi....................................................................

37

Hình 2.4: Hiện tượng lẹo dao..........................................................

39

Hình 2.5: Lực pháp tuyến trên mặt dao...........................................

39

Hình 2.6: Hiện tượng co phoi..........................................................

40

Hình 2.7: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt.........................

45

Hình 2.8: Hiện tượng biến cứng bề mặt...........................................

52

Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm

53

Hình 3.2: Máy tiện CNC AC – 1840

53

Hình 3.3: Máy đo độ nhám

54

Hình 3.4: Sơ đồ đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt

55

Hình 3.5: Sơ đồ đo đường kính chi tiết gia công

55

Hình 4.1: Ảnh hưởng của vận tốc tới độ nhám

69

Hình 4.2: Ảnh hưởng của bán kính lưỡi dao đến quá trình cắt

71

7


Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ra với s,v

77

Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ra với s,t

78

Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ra với v,t

78

Hình 4.6: Bản vẽ chi tiết trục côn

81

Hình 4.7: Tiện chi tiết trục côn trên máy tiện AC – 1840

82

Hình 4.8: Sản phẩm chi tiết trục côn

83

8


MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sự nghiệp đổi mới nền kinh tế đất nước nhằm đưa nước ta ra khỏi tình trạng
nghèo nàn, chậm phát triển đã được Đảng khởi xướng và lãnh đạo thực hiện trong
suốt hơn 20 năm qua. Để thực hiện được mục tiêu “Công nghiệp hoá, hiện đại hoá
Đất nước” thì việc phát triển khoa học công nghệ nói chung và khoa học công nghệ
trong cơ khí nói riêng càng trở nên quan trọng và cấp thiết hơn bao giờ hết. Từ cuối
thập niên 80 của thế kỷ XX đến nay, rất nhiều doanh nghiệp trong nước đã trang bị
nhiều loại máy, thiết bị sử dụng kỹ thuật CNC nhằm nâng cao năng suất, chất lượng
sản phẩm. Bên cạnh những kết quả đạt được về mặt công nghệ thì một số doanh
nghiệp cũng gặp khó khăn về hiệu quả kinh tế khi sử dụng các máy và thiết bị này
bởi vì các nguyên nhân sau:
-

Việc chuyển giao công nghệ chưa đầy đủ;

-

Đầu tư thiếu đồng bộ, nhập nhiều chủng loại và thế hệ máy;

-

Mức khấu hao cao do giá thành đầu tư lớn;

-

Số lượng sản xuất trên máy thường theo loạt vừa và nhỏ;

-

Khai thỏc chưa hiệu quả;

-

Chưa chủ động được về bảo dưỡng, bảo trì máy... .

Vấn đề đặt ra là làm thế nào để nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại máy này?
Qua tìm hiểu các doanh nghiệp sản xuất cơ khí có sử dụng các máy và thiết
bị NC, CNC, xét về mặt xác định chế độ cắt thì thấy có một số vấn đề sau:
- Các doanh nghiệp 100% vốn nước ngoài hoặc liên doanh thì các máy gia công
sử dụng kỹ thuật CNC chủ yếu để sản xuất các mặt hàng truyền thống, ổn định.
Chương trình gia công trên máy được chuyên gia nước ngoài xỏc định nên chế độ
công nghệ thiết lập trong chương trình đã được hoàn chỉnh.
- Các doanh nghiệp trong nước sử dụng máy CNC thì việc lập trình gia công do
người lập trình thực hiện. Chế độ công nghệ (v, s, t) được xác định bằng cách tra sổ
tay công nghệ như khi thực hiện gia công trên máy truyền thống hoặc bằng cách
lấy theo kinh nghiệm.

9


Chính vì lẽ đó, chế độ công nghệ gia công trên máy chưa thể khẳng định là hợp

lý. Vì vậy hiệu quả khai thác, sử dụng máy còn hạn chế.
Đề tài “Nghiên cứu công nghệ gia công chi tiết trên máy tiện CNC” là đề tài
nghiên cứu chế độ công nghệ như (v, s, t) khi gia công trên máy tiện CNC cho một
số loại vật liệu được hợp lý. Chính bởi lẽ đó đề tài đó nghiên cứu chế độ cắt tối ưu
cho một loại vật liệu cụ thể đó là: “ Nghiên cứu công nghệ và xác định chế độ cắt
hợp lý khi gia công chi tiết trục thép 40X mặt trụ ngoài trên máy tiện CNC” để đạt
được chất lượng bề mặt tốt, năng suất cao. Được tác giả lựa chọn để nghiên cứu
nhằm mục đích xác định chế độ cắt hợp lý và tiến tới tìm ra chế độ công nghệ cho
quá trình tiện trên máy CNC. Đây một vấn đề khoa học có ý nghĩa thực tiễn, cần
thiết, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy tiện CNC trong
sản xuất cơ khí nói riêng và là cơ sở để nghiên cứu cho các vật liệu khác nhau khác.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, luận văn gồm có 4 chương sau:
Chương 1. Tổng quan về công nghệ gia công CNC và tiện CNC;
Chương 2. Cở lý thuyết;
Chương 3. Thiết bị và phương pháp thí nghiệm;
Chương 4. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng kết quả của đề tài.
3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu sự ảnh hưởng của chế độ công nghệ như
(v, s, t) đối với quá trình cắt. Việc nghiên cứu được tiến hành với các điều kiện sau:
- Máy thực nghiệm: Máy tiện CNC, ký hiệu AC - 1840;
- Vật liệu gia công là thép 40X;
- Vật liệu làm dao là mảnh hợp kim cứng: DNMG 110408E-M
- Đối tượng gia công là mặt trụ ngoài.
- Thiết bị đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt: Máy chuyên dùng
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.

10

- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt (v,
s, t) với độ nhám bề mặt gia công. Còn một số yếu tố khác như tuổi bền dụng cụ cắt,
lực cắt coi như nằm trong giới hạn cho phép.
- Thực nghiệm cắt thử để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa
chế độ cắt với yếu tố độ nhám bề mặt gia công.
- Thực nghiệm trên máy để xây dựng các hàm toán học biểu diễn mối quan
hệ giữa chế độ cắt với yếu tố độ nhám bề mặt
Ngoài ra, trong quá trình nghiên cứu còn trao đổi với Giáo viên hướng dẫn
và các Nhà khoa học chuyên ngành.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN
* Ý NGHĨA KHOA HỌC
Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn đã
đưa ra được các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt, với chế độ
cắt làm cơ sở cho việc tối ưu hoá quá trình cắt cũng như cho các nghiên cứu khác
của quá trình cắt. Đồng thời trên cơ sở đó luận văn đã xây dựng được thời gian gia
công nhỏ nhất và các hàm ràng buộc là các điều kiện về máy, về dao, về chất lượng
bề mặt... của quá trình cắt. Tiến tới xây dựng giải bài toán tối ưu và thiết kế phần
mềm trợ giúp lựa chọn chế độ cắt khi gia công trên máy tiện CNC.
* Ý NGHĨA THỰC TIỄN
Kết quả nghiên cứu xây dựng chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy tiện
CNC có ý nghĩa thực tiễn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất như
sau:
- Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình cắt;
- Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi viết chương trình gia công NC
trong quá trình chuẩn bị sản xuất được hợp lý hơn, hiệu quả khai thác, sử dụng máy
tiện CNC tốt hơn. Góp phần vào việc nâng cao năng suất và hạ giá thành sản phẩm.
Đây là một yếu tố có ý nghĩa lớn đối với sự phát triển của doanh nghiệp trong môi
trường sản xuất kinh doanh luôn phải đối mặt với sự cạnh tranh khốc liệt hiện nay
trên thị trường cũng như trong quá trình hội nhập;

11


- Đạt được khả năng cho năng suất cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt
theo yêu cầu trong sản xuất ngay cả khi số lượng sản phẩm không nhiều;
- Tạo ra phần mềm lựa chọn với các ràng buộc mở, cho phép doanh nghiệp lựa
chọn điều kiện ràng buộc phù hợp với thực tiễn sản xuất, chẳng hạn như khi phải sử
dụng dao đặc biệt, giá thành cao thì đưa vào yêu cầu về tuổi bền dao cao, phần mềm
tính toán sẽ lựa chọn được chế độ cắt phù hợp với yêu cầu đó.

12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CNC
VÀ TIỆN CNC
1.1 Lịch sử phát triển vè công nghệ CAD/CAM – CNC

Hình 1.1 Sơ đồ lịch sử phát triển công nghệ
CAD/CAM-CNC
Năm 1952 máy điều khiển số NC (Numerical Control) đầu tiên ra
đời và chương trinh gia công được lập trình theo ngôn ngữ APT (Automatically
Programmed Toolls) do viện nghiên cứu Masschusetts tạo ra. Không lâu sau
đã bắt đầu xuất hiện khái niệm CAD (Computer Aided Design).
Vào những năm 70 các hệ điều khiển CNC (Computer Numerical
Control), ngoài các chức năng riêng của hệ NC thì hệ CNC còn có thể thực
hiện được nhiều chức năng khác nhau, nó có bộ phận lưu giữ chương trình và
có thể thay đổi được chương trình gia công.
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tin học với sự xuất hiện của các
máy vi tính hiện đại cho khả năng ghép nối quá trình thiết kế với quá trình gia

công thành một dự án tổng thể với sự trợ giúp của máy vi tính đã tạo ra
công nghệ CAD/CAM (Computer Aided Manufacturing) và không lâu sau đó
là các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System).
Hệ thống sản xuất tích hợp CIM (Computer Intergrated Manufacturing)

13


bắt đầu xuất hiện từ những năm 80. Mục tiêu của CIM là gia công tự động linh
hoạt, nó cho khả năng gia công đạt hiệu quả kinh tế cao ngay cả khi số lượng
gia công không lớn.
1.2 Tình hình khai thác, sử dụng máy gia công CNC tại Việt Nam hiện nay
Ở Việt Nam chúng ta, trước đây hệ thống sản xuất cơ khí quá lạc hậu, năng
suất thấp, chất lượng kém nhưng giá thành lại cao, sản xuất chưa đáp ứng được thị
trường trong nước chứ đừng nói gì đến vươn ra thị trường ngoài nước. Nhận thức rõ
vấn đề đó, sau Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VI ( 1986) với chủ trương đổi mới,
nhiều chính sách ra đời đã tạo cho doanh nghiệp sự chủ động, sáng tạo…Rất nhiều
doanh nghiệp trong nước và liên doanh với nước ngoài đã đưa máy gia công có
mức độ tự động hoá cao vào sản xuất. Ngành cơ khí nước ta nói riêng và tất cả các
ngành khác nói chung đã có bước phát triển mới. Sản phẩm chế tạo ra đã có chất
lượng cao hơn, thời gian chế tạo nhanh hơn. Tuy nhiên, tìm hiểu một số doanh
nghiệp sử dụng kỹ thuật CNC thì thấy có một số ưu, nhược điểm sau:
Ưu điểm:
Cỏc mỏy tiện CNC này cú những ưu điểm của điều khiển số so với các máy tiện
truyền thống như: Khi gia công trên máy tiện CNC các chi tiết sẽ có độ chính xác
cao, gia công được chi tiết phức tạp, quá trỡnh điều khiển dễ dàng, các máy tiện
CNC khi được ứng dụng ở trỡnh độ cao sẽ là bộ phận của hệ thống sản xuất FMS
hay CIM. Cỏc mỏy tiện CNC làm cho quỏ trỡnh sản xuất thờm linh hoạt, mọi thao
tỏc đều được tự động hóa.
Nhược điểm:

- Chủng loại máy, nguồn gốc máy đa dạng nhưng chủ yếu là các máy của : Đức,
Nhật, Trung quốc, Đài loan. 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 nước ngoài cho đối tác tại Việt
Nam không đầy đủ. Chủ yếu chỉ hướng dẫn lập trình cơ bản và thao tác vận hành
máy;

14


- Ngoại trừ một số doanh nghiệp liên doanh, doanh nghiệp 100% vốn nước
ngoài trong sản xuất có mặt hàng truyền thống thì chương trình gia công CNC
được chuẩn bị trước từ nước ngoài đưa vào còn lại chủ yếu do người vận hành máy
lập trình trực tiếp trên máy;
- Một số doanh nghiệp chưa 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 như khi thực hiện gia
công trên máy vạn năng nên chưa thể nói là đã hợp lý hay chưa?.
Các máy gia công sử dụng kỹ thuật CNC thường được 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 chế độ cắt tối ưu cho các máy
CNC nói chung và máy tiện CNC nói riêng là việc làm cần thiết.
1.3 Nguyên lý gia công điều khiển số CNC
1.3.1 Khái niệm và đặc trưng 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 tiện, phay,
khoan, mài, laser, tia lửa điện, ...; đo lường; gá đặt; điều chỉnh, v.v...) và được điều
khiển bằng chương trình số (NC Program) với hệ CNC (Computerized Numerical

Control).
Gia công chi tiết cơ khí trên các máy điều khiển theo chương 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 thước có thể nhỏ hơn 0,001 mm);
- Năng suất gia công cao ( có thể gấp 3 lần máy thông thường);
- Tính linh hoạt cao, thích nghi nhanh với sự thay đổi về kết cấu sản phẩm;

15


- Mức độ tập trung nguyên công cao (gia công nhiều bề mặt trong một lần gá
đặt);
- Có thể gia công được những bề mặt phức tạp mà các máy khác khó hoặc
không thực hiện được (các bề mặt dạng 3D);
- Khả năng thực hiện lặp lại các công việc gia công (chương trình được sử
dụng nhiều lần);
- Chuẩn bị công nghệ để gia công trên máy CNC khác với máy thường 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 nhưng bảo dưỡng 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/ Chương trình gia công NC ( NC program) :

Được viết theo ngôn ngữ lập trình của máy thể hiện dưới dạng các số và
chữ cái qui ước. Hệ CNC có chức năng tạo lập các tín hiệu điều khiển cần thiết cho
quá trình gia công như điều khiển trục chính quay, điều khiển cho dao dịch chuyển
trong quá trình cắt theo đường 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 như thay dụng cụ cắt, đóng mở chất làm mát...
2/ Thiết bị nạp chương trình (Program Input Device)
Thiết bị nạp chương trình vào máy thông thường là bàn phím gắn theo máy.
Các máy gia công hiện đại có thể cho phép nạp chương trình có sẵn vào máy theo
đường 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

16


cung cấp như 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.
Phần mềm vận hành bao gồm 4 chương trình sau:
+ Chương trình giám sát, còn gọi là chương trình vận hành hoặc dẫn dắt để
quản trị khâu vận hành, khởi động các phần mềm khác và tạo điều kiện truyền
thông (communication) tới các thiết bị nhập – xuất
+ Chương trình logic (logic program) thường được coi là chương trình điều
khiển, để giải mã (decods) và nội suy (interpolates) các chỉ dẫn NC nhằm tạo lập
các tín hiệu điều khiển dịch chuyển cho từng trục điều khiển
+ Chương trình biên tập (editor program), còn gọi là chương trình dịch vụ
hoặc vận hành. Nó cho phép người vận hành nhập, xuất, sửa đổi hay xoá chương
trình gia công chi tiết và hiển thị trên màn hình.

+ Chương trình chuẩn đoán (diagnostic program), bao gồm nhiều chương
trình con chuẩn đoán khác nhau để phát hiện các lỗi có trong hệ CNC, số hiệu của
lỗi và thông báo lỗi được hiển thị trên màn hình.
4/ Hệ khởi động ( Drive System)
5/ Máy gia công (Machine Tool), còn gọi là máy công tác như máy tiện, máy
phay, máy khoan... Đây là các máy gia công thực hiện điều khiển theo chương 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 chương trình NC đã lập và kiểm định tới máy
CNC tại xưởng để thực hiện

17


Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy tiện CNC 2D-SL-253 với các trục NC là
X và Z (Hình 1.2).

1. Cụm trục chính máy
2. Mâm cặp
theo trục X
3. Phôi tiện
4. Mũi tâm ( ụ động)
dọc trục Z

6. Trục vít me bi
7. Động cơ chạy dao
8. Động cơ trục chính
9. Băng dẫn hướng

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy tiện CNC

2D
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 được xác định . Các thông tin đó
được 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 chương trình thì
kết thúc tín hiệu điều khiển đó.
1.3.2 Hệ điều khiển máy gia công CNC
1.3.2.1 Các hệ thống điều khiển
a. Điều khiển NC

18


Hệ thống điều khiển NC (Numerical Control) là mạch điện tử. Thông tin vào
chứa trên băng từ hoặc băng đục lỗ, thực hiện chức năng theo từng khối, khi khối
trước kết thúc, máy đọc tiếp các khối lệnh tiếp theo để thực hiện các dịch chuyển
cần thiết. Các máy NC chỉ thực hiện các chức năng như: Nội suy đường thẳng, nội
suy cung tròn, chức năng đọc theo băng. Các máy NC không có chức năng lưu trữ
chương trình. Hệ điều khiển NC có một số nhược điểm là tính linh hoạt kém. Khi
cần thay đổi cấu hình chi tiết thì phải thay đổi chương trình gia công. Việc thay đổi
chương trình gia công bằng cách làm mới hoặc sửa lại băng đục lỗ, điều này gây
mất thời gian và tốn kém.
b. 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
chương trình hệ thống CNC do nơi sản xuất máy chế tạo, cài đặt vào máy tính kèm
theo máy và được bảo vệ dưới một mã nguồn bí mật khiến cho người sử dụng máy
không thể can thiệp được.
Trong hệ thống này, việc đưa các dữ liệu vào hệ thống được tiến hành trên
bảng điều khiển của máy hoặc truyền dữ liệu có sẵn qua đường cáp vào. Các dữ liệu

(chương trình gia công) được lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính và có thể gọi ra bất
kỳ lúc nào.
Ưu điểm của hệ điều khiển này là khi cần lập chương trình gia công mới hay
sửa chữa chương trình gia công cho phù hợp với sự thay đổi cấu hình sản phẩm
được 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. Một số máy được trang bị hệ điều
khiển mạnh, khả năng tính toán nhanh và chính xác của máy tính cho phép xây
dựng các chương trình con riêng lẻ, khi cần sử dụng sẽ được gọi vào thực hiện trong
chương trình chính nên giảm bớt số câu lệnh và thời gian cần thiết cho việc lập
trình. Khi chương trình gia công biên soạn theo đúng cấu trúc và qui ước được đưa
vào, bộ phận giải mã sẽ đọc và tách ra thành các dữ liệu hình học, dữ liệu công

19


nghệ. Khi sử dụng chương trình để gia công chi tiết, các dữ liệu này được chuyển
qua bộ điều khiển đến các động cơ chấp hành trên máy gia công
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
người lập trình tránh được sai sót khi lập trình .
c. Điều khiển DNC
Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical Control) để biểu thị một hệ thống
trong đó có nhiều máy NC được kết nối với một máy tính qua đường 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 chương trình gia công. các chương trình gia công này
được lưu trữ trên các đĩa cứng của máy tính và được gọi ra theo nhu cầu của từng
máy gia công. Ưu điểm của hệ thống này là có một thư viện lưu trữ thông tin trung
tâm cho biết các thông tin của chương 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 [12].

d. Điều khiển thích nghi
Các hệ thống điều khiển trên tuy có khả năng tự động hoá cao nhưng vẫn có
những mặt mang tính áp đặt, các chế độ công nghệ được định ra ngay khi lập trình
(trước khi gia công) nên đã không phát huy được tối đa hiệu quả hoặc không tránh
được sự cố phát sinh trong quá trình gia công, chẳng hạn như khi gặp vùng vật liệu
có độ cứng cao hay khi dao mòn, lực cắt tăng lên gây gẫy dao hoặc dừng máy do
vượt 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 hưởng không thể dự kiến trước trong quá trình gia công như nếu
lực cắt tăng lên máy sẽ tự động giảm lượng chạy dao cho phù hợp. Tuỳ theo mục
tiêu sử dụng mà chia hệ thống điều khiển thích nghi thành các loại sau:
- Điều khiển thích nghi cưỡng bức ACC (Adaptive Control Constrain)
Dùng chủ yếu để điều khiển giới hạn thông số công nghệ (chế độ cắt)

20


- Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive Control Optimation): Dùng
cho việc tối ưu hoá các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công hoặc giảm
giá thành [19].
Hệ điều khiển này có những ưu điểm nổi bật nhưng việc ứng dụng nó ở nước
ta hãy còn quá khiêm tốn.
1.3.2.2 Các dạng điều khiển
a. Điều khiển điểm - điểm.
Là phương thức điều khiển nhanh đồng thời theo các trục nhằm xác định một
vị trí nào đó theo yêu cầu. Đây là cách điều khiển đơn giản nhất, được áp dụng cho
các máy gia công điều khiển số mà khi dịch chuyển nhanh để xác định vị trí thì
không cắt gọt. Việc cắt gọt chỉ thực hiện sau khi vị trí điểm cắt đã được xác định.
Tuỳ theo dạng điều khiển, các trục có thể chuyển động kế tiếp nhau (thực hiện từng

trục một – hình 1.3a) 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 thường khi các trục có chuyển
động đồng thời thì hướng của hai trục tạo thành góc 450, trục nào hoàn thành trước
thì kết thúc dịch chuyển trước, còn trục kia sẽ tiếp tục thực hiện dịch chuyển dao
đến vị trí yêu cầu ( hình 1.3b) [14].

a

b

Hình 1.3: Các đường chạy dao trong
điều khiển theo điểm

Dạng điều khiển này thường được ứng dụng trong các máy khoan toạ độ, máy đột
lỗ, máy hàn điểm tự động...

21


b. Điều khiển theo đường thẳng (tuyến tính)
Dạng điều khiển này tạo ra các đường 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. Như
vậy với dạng điều khiển này ta chỉ có thể tạo ra mặt phẳng song song với từng trục
(hình 1.4). Trong trường hợp mở rộng 2 trục của máy chuyển động với tốc độ như
nhau thì có thể gia công được bề mặt nghiêng góc 45° trong một mặt phẳng cố định
nào đó ( thường là mặt xoy trên máy phay, mặt xoz trên máy tiện)

Hình 1.4: Các đường chạy dao trong
chuyển động theo đường
c. Điều khiển theo biên dạng (contour)

Dạng điều khiển theo điểm, theo đường có rất nhiều hạn chế khi gia công các
bề mặt phức tạp như mặt cong, mặt nghiêng...Dạng điều khiển theo contour cho
phép khắc phục được các hạn chế này. Bằng hình thức điều khiển này, ta có thể tạo
ra các contour hoặc đường thẳng hay đường cong tuỳ ý trong mặt phẳng nào đó
hoặc trong không gian [12]. Như 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
lượng các trục được điều khiển đồng thời mà điều khiển theo contour được chia ra
làm các loại sau:
* Điều khiển 2D
Điều khiển này cho phép thực hiện dịch chuyển dụng cụ cắt (hoặc bàn máy
mang phôi) theo một công tua nào đó ( thẳng hoặc cung cong) trong mặt phẳng gia
công. Đối với máy phay thì thường là mặt xoy, đối với máy tiện là mặt xoz.. Còn
trục thứ ba được điều khiển độc lập với hai trục kia. Như vậy, trên máy tiện có thể
gia công được mặt cong, mặt cầu, trên máy phay gia công được cung tròn.

22


Khả năng của máy gia công CNC đã được mở rộng hơn.
* Điều khiển

1
2 D
2

Dạng điều khiển này cho máy có khả năng thực hiện các chuyển động nào đó
của dụng cụ cắt. Thông qua chức năng G nào đó của hệ điều khiển trong chương
trình gia công NC ta có thể chuyển đổi từ bề mặt gia công X-Y sang bề mặt X-Z.
Như vậy, với dạng điều khiển này phạm vi gia công bề mặt chi tiết được mở rộng
hơn. Hai trục của máy chuyển động đồng thời và có quan hệ hàm số với nhau, còn

trục kia chuyển động độc lập như trong dạng điều khiển 2D nhưng có sự khác biệt
là bề mặt gia công không còn bó hẹp trong mặt X-Y nữa mà có khả năng chuyển
sang mặt X-Z.
* Điều khiển 3D
Đây là dạng điều khiển mà cả ba trục của máy có chuyển động đồng thời và
giữa chúng có mối quan hệ hàm số. Khả năng gia công của máy được mở rộng. Có
thể gia công được mặt nghiêng, rãnh vát, rãnh vừa cong vừa vát và đặc biệt khi gia
công trên máy phay có thể gia công được ren. Cần chú ý rằng, đối với dạng điều
khiển 3D, khi thực hiện lệnh cắt theo cung tròn mà trong câu lệnh có cả ba thành
phần X, Y, Z thì phải khai báo rõ mặt chính là mặt nào (mặt chứa cung tròn) trước
khi thực hiện câu lệnh, nếu không chương trình sẽ bị lỗi và không thực hiện được.
Ví dụ: Khi cắt rãnh vừa cong vừa vát
như hình 1.5
Mặt gia công chính là mặt xoy
Câu lệnh dịch chuyển dao từ điểm A
đến điểm B là :
G02 XB YB ZB I... J....;
Trước câu lệnh này phải khai báo mặt
gia công chính là X-Y bằng chức năng G17.

23

Hình 1.5: Điều khiển theo 3 D


* Điều khiển 4D và 5D
Với dạng điều khiển này, ngoài các trục tịnh tiến X, Y, Z còn có các trục
quay . Nhờ có điều khiển này ta có thể gia công được các bề mặt phức tạp như
khuôn rèn, dập, đúc áp lực hay các bề mặt không gian như cánh tuốc bin.
1.3.3 Các trục điều khiển NC (NC axises)

Khái niệm “Trục” trong kỹ thuật gia công NC là hướng chuyển dịch chính
(thẳng hoặc quay) mà theo hướng đó, chuyển động tương đối của dụng cụ (dao) và
phôi gia công được thực hiện và được điều khiển bằng số (điều khiển NC)
Các khái niệm trục toạ độ, chiều chuyển động của máy công cụ điều khiển số
được qui định trên phạm vi quốc tế (tiêu chuẩn ISO – Recommendation R 841).
Dựa trên cơ sở định lý 3 ngón tay của bàn tay phải mà định nghĩa chiều của 3
chuyển động cơ bản vuông góc với nhau là X, Y và Z như sau:
- Ngón cái là trục X, ngón trỏ là trục Y, ngón giữa là trục Z. các trục này
vuông góc với nhau.
- Chiều từ cổ tay đến ngón tay là chiều dương, ngược lại là âm.
- Trục Z luôn luôn trùng với trục chính của máy (hình 1.7)

Hình 1.6 : Hệ trục toạ độ theo qui ước bàn tay phải

24