Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số yếu tố thuộc chế độ cắt đến chi phí điện năng riêng và chất lượng bề mặt gia công tiện lỗ mặt trụ trong trên máy tiện CNC YT 10t
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.95 MB, 133 trang )
PHẠM THỊ LAN
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
---------------------------------------
PHẠM THỊ LAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ
YẾU TỐ THUỘC CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHI PHÍ
ĐIỆN NĂNG RIÊNG VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT
GIA CÔNG TIỆN LỖ MẶT TRỤ TRONG TRÊN
MÁY TIỆN CNC YT -10T
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
2016
Đồng Nai, 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
---------------------------------------
PHẠM THỊ LAN
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
THUỘC CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHI PHÍ ĐIỆN NĂNG
RIÊNG VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG TIỆN
LỖ MẶT TRỤ TRONG TRÊN MÁY TIỆN CNC YT -10T
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 60520103
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. LÊ VĂN THÁI
Đồng Nai, 2016
`CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ai công bố
trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Nếu nội dung nghiên cứu của tôi trùng lặp với bất kỳ công trình
nghiên cứu nào đã công bố, tôi xin hoàn thành chịu trách nhiệm và tuân
thủ kết luận đánh giá luận văn của Hội đồng khoa học.
Đồng Nai, ngày 5 tháng 5 năm 2016
Người cam đoan
Phạm Thị Lan
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS. TS. Lê Văn
Thái đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, cách
xây dựng đề tài và hướng dẫn thực nghiệm đến quá trình viết và
hoàn thành luận văn này.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và phòng đào
tạo sau đại học của trường Đại học Lâm Ngiệp cơ sở 1 đã tạo điều
kiện thuận lợi để hoàn thành bản luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường Cao Đẳng
nghề Cơ Giới và Thủy Lợi đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với tập thể nhân viên phòng đo
lường Công ty TNHH ĐIỆN CƠ SHIHLIN VIỆT NAM tại Đồng
Nai đã tận tình giúp đỡ trong quá trình làm thực nghiệm và xử lý kết
quả thí nghiệm.
Do năng lực của bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn
không tránh khỏi nh ng sai s t. Tác giả rất mong nhận được sự đ ng
g p ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... iv
DANH MỤC CÁC ẢNG IỂU D NG TRONG LU N V N ................... vi
DANH MỤC CÁC H NH V , H NH ẢNH VÀ Ồ TH ............................ viii
ẶT VẤN Ề ................................................................................................... 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN Ề NGHIÊN CỨU ................................ 4
1.1. Tổng quan về máy CNC và các dạng điều khiển của máy tiện CNC ........ 4
1.1.1. Tổng quan về máy CNC .......................................................................... 4
1.1.2. Các dạng điều khiển của máy CNC ........................................................ 8
1.1.3. Cấu trúc một chƣơng trình gia công ..................................................... 12
1.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng máy tiện .............................................. 16
1.2.1. Trên thế giới .......................................................................................... 16
1.2.2. Ở trong nước ......................................................................................... 21
1.3. Kết luận chƣơng ....................................................................................... 23
Chƣơng 2: MỤC TIÊU,
ỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 24
2.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 24
2.2. ối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ............................................................... 24
2.2.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................... 24
2.2.2. hạm vi nghiên cứu ............................................................................... 26
2.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 27
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................... 27
2.4.1. Các phương pháp chung ....................................................................... 27
2.4.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ............................. 28
Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ LU N CỦA VẤN Ề NGHIÊN CỨU ..................... 42
ii
3.1. ộng học và động lực học của quá trình cắt gọt kim loại ....................... 42
3.1.1. Chế độ cắt khi tiện................................................................................. 42
3.1.2. Động lực học của quá trình cắt ............................................................ 44
3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí công suất khi gia công trên máy tiện ... 46
3.2. Chất lƣợng bề mặt gia công ..................................................................... 49
3.2.1. Độ nhám bề mặt gia công .................................................................... 51
3.2.2. Các thông số đánh giá độ nhám bề mặt gia công .............................. 51
3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công ........................ 53
3.4. Kết luận chƣơng ...................................................................................... 58
Chƣơng 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .............................. 59
4.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm và các tham số điều khiển ................. 59
4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm ......................................................... 59
4.1.2. Các tham số điều khiển và khoảng giới hạn của chúng ....................... 59
4.2. Thiết bị đo và phƣơng pháp đo ............................................................... 59
4.2.1. Đo độ nhám bề mặt gia công ................................................................ 59
4.2.2 Đo chi phí điện năng riêng .................................................................... 59
4.3. Kết quả thí nghiệm thăm dò ..................................................................... 61
4.3.1. Xét đại lượng nghiên cứu là độ nhám bề mặt Ra. ................................. 61
4.3.2. Xét đại lượng nghiên cứu là sai số gia công Nr. ................................... 63
4.4. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố .............................................................. 65
4.4.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt gia công và chi phí
điện năng riêng................................................................................................ 70
4.4.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt gia công và chi
phí điện năng riêng ......................................................................................... 70
4.4.3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng 74
4.4.4. Kết luận ................................................................................................. 79
4.5. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố ................................................................ 79
iii
4.5.1. Vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng .. 79
4.5.2. Thành lập ma trận thí nghiệm .............................................................. 80
4.5.3. Tiến hành thí nghiệm theo ma trận Harley .......................................... 81
4.5.4. Ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến độ nhám bề mặt gia công Ra ...... 81
4.5.5. Ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến chi phí điện năng riêng Nr ........ 84
4.5.6. Chuyển phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu về dạng thực ..... 87
4.5.7. Xác định giá trị tối ưu của các thông số V, S và t................................ 88
4.5.8. Gia công chi tiết với các thông số tối ưu Vtư, Stư và ttư ......................... 90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 93
1. Kết luận ....................................................................................................... 93
2. Kiến nghị ..................................................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 95
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 98
iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
CNC
CAD
CAM
NC
Tên gọi
Đơn vị
(Computer Numerical Control) - iều khiển số
có sự hỗ trợ của máy tính
(Computer Aided Design) - Thiết kế có trợ giúp
của máy tính
(Computer Aided Manufacturing) - Sản xuất có
trợ giúp của máy tính
(Numerical Control) - iều khiển số
V
Vận tốc cắt
m/phút
S
Lƣợng chạy dao
mm/vg
t
Chiều sâu cắt
Vc
D
n
Vận tốc vòng của chi tiết
ƣờng kính chi tiết gia công
Số vòng quay của phôi trong một phút
Xmax
Trị số thu thập lớn nhất của đối tƣợng đo
Xmim
Trị số thu thập nhỏ nhất của đối tƣợng đo
N
Công suất cắt
x
Sai số trung bình mẫu
P
Công suất điện
Q
Năng suất thuần túy
mm
m/phút
mm
(v/ph)
KW
W
m2/h
v
Nr
iện năng riêng
Wh/m2
Ra
ộ nhẵn bề mặt
μm
Rz
ộ nhám bề mặt
μm
P
Lực cắt tổng hợp
N
Px
Thành phần lực chiều trục hay lực chạy dao
N
Py
Thành phần lực hƣớng kính
N
Pz
Thành phần lực tiếp tuyến, lực cắt chính
N
Góc trƣớc của dao
Góc sau của dao
Góc cắt của dao
Góc nghiêng của lƣỡi dao
S
Sai số tiêu chuẩn
Giá trị trung bình
S2
Phƣơng sai
Sa
Phƣơng sai tƣơng thích
Sb
Phƣơng sai đo lƣờng
Phƣơng sai ngẫu nhiên do thực nghiệm gây ra
K*
Số hệ số hồi quy có nghĩa
Y1
Hàm biểu thị độ nhám bề mặt
Y2
Hàm biểu thị chi phí điện năng riêng
vi
DANH MỤC CÁC ẢNG IỂU D NG TRONG LUẬN V N
Thứ tự
Tên bảng
Trang
ảng 3.1
Các thông số kỹ thuật của máy tiện CNC YT -10T
25
ảng 3.2
Thành phần hoá học của thép Các bon chất lƣợng C45
26
ảng 3.3
Cơ tính của thép C45
26
ảng 3.4
Các hệ số phụ thuộc vào vật liệu gia công
48
ảng 4.1
Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của Ra
62
ảng 4.2
Các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm
62
ảng 4.3
Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của Nr
64
ảng 4.4
Các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm
64
ảng 4.5
ảng 4.6
ảng 4.7
ảng 4.8
ảng 4.9
ảng 4.10
ảng 4.11
ảng 4.12
Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hƣởng của vận tốc cắt
tới độ nhám bề mặt Ra và chi phí điện năng riêng Nr
Kết quả xử lý ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến độ nhám
bề mặt
Kết quả xử lý ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến chi phí
điện năng riêng
Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hƣởng của lƣợng chạy
dao tới độ nhám bề mặt Ra và chi phí điện năng riêng Nr
Kết quả xử lý ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến độ
nhám bề mặt
Kết quả xử lý ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến chi
phí điện năng riêng
Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hƣởng của chiều sâu
cắt tới độ nhám bề mặt Ra và chi phí điện năng riêng Nr
Kết quả xử lý ảnh hƣởng của chiều sâu cắt đến độ nhám
bề mặt
66
67
68
70
71
73
75
76
vii
ảng 4.13
Kết quả xử lý ảnh hƣởng của chiều sâu cắt đến chi phí
điện năng riêng
77
ảng 4.14 Mã hóa của các thông số đầu vào
80
ảng 4.15 Ma trận thí nghiệm Hartley
80
ảng 4.16
ánh giá đồng nhất phƣơng sai của hàm độ nhám bề
mặt Ra
82
Kết quả tính theo phƣơng trình hồi quy (4.9) là Y- và
ảng 4.17 sai lệch Yost giữa mô hình tính toán với kết quả trung
83
bình của thực nghiệm.
ảng 4.18
ánh giá đồng nhất phƣơng sai của hàm chi phí điện
năng riêng
85
Kết quả tính theo phƣơng trình hồi quy (4.10) là Y- và
ảng 4.19 sai lệch Yost giữa mô hình tính toán với kết quả trung
bình của thực nghiệm.
86
viii
DANH MỤC CÁC H NH V
Thứ tự
H NH ẢNH VÀ Đ
THỊ
Tên hình
Trang
Hình 1.1
Các đƣờng chạy dao trong chuyển động theo điểm
9
Hình 1.2
Các đƣờng chạy dao trong chuyển động theo đƣờng
9
Hình 1.3
iều khiển 3D
11
Hình 3.1
Máy tiện CNC YT – 10T
25
Hình 3.2
Các yếu tố của chế độ cắt
43
Hình 3.3
Các yếu tố của chế độ cắt sau một vòng quay của dao
44
Hình 3.4
Sơ đồ phân tích lực cắt khi tiện
45
Hình 3.5
Lực cắt PZ phụ thuộc vào tốc độ cắt v và góc trƣớc
47
Hình 3.6
Tổng quát về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy
50
Hình 3.7
ộ nhám bề mặt chi tiết
52
Hình 3.8
Mối quan hệ giữa vận tốc cắt và độ nhấp nhô bề mặt
55
Hình 3.9
Ảnh hƣởng bán kính lƣỡi dao đến quá trình cắt
56
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
ồ thị ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt
68
ồ thị ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến chi phí điện năng
69
riêng
ồ thị ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến độ nhám bề
72
mặt
ồ thị ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến chi phí điện
74
năng riêng
ồ thị ảnh hƣởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt
77
ồ thị ảnh hƣởng của chiều sâu cắt đến chi phí điện
78
năng riêng
ix
1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Phát triển khoa học kỹ thuật nói chung và khoa học công nghệ trong cơ
khí nói riêng càng trở nên quan trọng và cấp thiết hơn bao giờ hết để thực
hiện đƣợc mục tiêu “Công nghiệp hoá, hiện đại hoá”. Trong bối cảnh hiện
nay, khi mà tất cả các ngành kinh tế - kỹ thuật trong cả nƣớc đang cố gắng
đẩy nhanh quá trình phát triển nhằm tạo ra các sản phẩm có chất lƣợng tốt,
năng suất lao động cao, giá thành hạ…, phục vụ tốt nhu cầu của cuộc sống
của con ngƣời. Ngành cơ khí của chúng ta cũng không nằm ngoài guồng quay
đó, nhƣng làm thế nào để có thể từng bƣớc thay đổi, làm thế nào để tạo ra
những sản phẩm ngày càng chất lƣợng hơn?
Tối ƣu hoá quá trình sản xuất là một công cụ hữu hiệu để đạt đƣợc mục
tiêu đó. Tuy nhiên, tối ƣu hoá toàn bộ quá trình sản xuất nói chung, trong chế
tạo cơ khí nói riêng là một bài toán rất lớn và chỉ có thể giải quyết đƣợc sau
khi đã thực hiện đƣợc nhiệm vụ tối ƣu hoá các nguyên công của quá trình gia
công.
Nghiên cứu tối ƣu hoá nguyên công chẳng những nâng cao hiệu quả
kinh tế - kỹ thuật của từng nguyên công mà còn tạo ra cơ sở dữ liệu quan trọng
phục vụ việc tự động hoá quá trình chuẩn bị công nghệ, rút ngắn thời gian và
khối lƣợng lao động.
Hiện nay, ở rất nhiều các cơ sở đào tạo và các doanh nghiệp sản xuất
trong nƣớc đã đƣợc trang bị rất nhiều loại máy móc hiện đại nhƣng chủ yếu là
đƣợc nhập từ nƣớc ngoài về nên thiếu nhiều tài liệu sử dụng, việc chuyển giao
công nghệ chƣa đầy đủ,... vậy để có đƣợc năng suất cao, chất lƣợng sản phẩm
tốt mà giá thành sản phẩm lại hạ, gia công tối ƣu cần giải quyết nhiệm vụ cụ
thể nào?
Tối ƣu hoá quá trình gia công cắt gọt là phƣơng pháp xác định chế độ
cắt tối ƣu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu
2
về kinh tế hoặc kỹ thuật của quá trình gia công với các thông số của chế độ
cắt tƣơng ứng trên một hệ thống công nghệ xác định nhằm đạt đƣợc các mục
tiêu về kinh tế hoặc kỹ thuật của quá trình gia công. Nhƣ vậy, thực chất của
việc xác định chế độ cắt tối ƣu là giải bài toán tối ƣu hoá bằng phƣơng pháp
thực nghiệm để tìm cực trị và miền tối ƣu hoá theo các chỉ tiêu đã đề ra. Hay
nói một cách khác, một trong những vấn đề mấu chốt cần phải giải quyết để
nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công chế tạo cơ khí là
phải xác định đƣợc chế độ cắt tối ƣu cho từng nguyên công khác nhau, thích
ứng với điều kiện sản xuất cụ thể.
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thì việc thực hiện
tối ƣu hóa trên các máy điều khiển số (CNC) là một vấn đề rất quan trọng trong
việc nâng cao năng suất, đáp ứng chất lƣợng sản phẩm đòi hỏi ngày càng cao…
Máy tiện CNC YT – 10T là máy điều khiển số mới đƣợc trang bị thêm
để phục vụ đào tạo và sản xuất tại trƣờng Cao đẳng nghề Cơ giới và Thủy lợi,
với tính năng gia công tạo các mặt trụ ngoài, mặt côn, tiện lỗ, tiện ren, tiện
mặt đầu, tiện cắt đứt, tiện các bề mặt định hình trong và ngoài....Tuy nhiên
trong quá trình gia công các chi tiết vẫn chƣa đạt đƣợc sự tối ƣu hóa về chế độ
cắt dẫn đến chất lƣợng còn kém, năng suất thấp, giá thành cao làm hạn chế
tính cạnh tranh của sản phẩm, gây không ít khó khăn trong tiêu thụ.
Chính từ tính cấp thiết và hữu dụng của vấn đề, với mong muốn đóng
góp một phần nhỏ bé của mình vào việc tìm ra những giải pháp nhằm nâng
cao chất lƣợng của sản phẩm cơ khí, tôi tiến hành thực hiện luận văn tốt
nghiệp với đề tài: “ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số yếu tố thuộc chế
độ cắt đến chi phí điện n ng riêng v ch t ư ng
m t gia c ng tiện ỗ
m t trụ trong trên máy tiện CNC YT – 10T ”.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là tài liệu cần thiết cho sử dụng hiệu
quả thiết bị phục vụ đào tạo cán bộ, công nhân kỹ thuật và thực tiễn sản xuất,
3
tạo ra những sản phẩm có chất lƣợng, góp phần đƣa đất nƣớc tiến nhanh trên
con đƣờng công nghiệp hoá, hiện đại hoá.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
ằng cách nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn đã
đƣa ra đƣợc các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa chi phí điện năng riêng
và độ nhám bề mặt với chế độ cắt làm cơ sở cho việc nghiên cứu tối ƣu hoá
quá trình cắt cũng nhƣ cho các nghiên cứu khác của quá trình tiện trục trong
nhằm lựa chọn chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy tiện CNC .
Ý nghĩa thực tiễn
- 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 chƣơng trình gia
công NC trong quá trình chuẩn bị gia công đƣợc hợp lý hơn, hiệu quả khai
thác, sử dụng máy tiện CNC tốt hơn. Góp phần nâng cao năng suất và hạ giá
thành sản phẩm.
ây là một yếu tố có ý nghĩa rất lớn đối với đào tạo cũng
nhƣ sự phát triển của doanh nghiệp trong nƣớc để theo kịp sự phát triển của
thế giới.
4
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về máy CNC và các dạng điều khiển của máy tiện CNC
1.1.1. Tổng quan v máy CNC
Nhƣ đã biết, trƣớc thế hệ máy CNC đã có hai thế hệ máy gia công (máy
công cụ) với công nghệ kỹ thuật thấp hơn đó là: máy gia công thông thƣờng
và máy gia công NC.
1.1.1.1. Máy gia công thông thường
Khi thực hiện gia công chi tiết trên các máy gia công thông thƣờng
ngƣời công nhân thƣờng dùng tay để điều khiển máy, họ căn cứ vào phiếu
nguyên công để cắt gọt chi tiết nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Khi
đó năng suất và chất lƣợng sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của
công nhân. Mặc dù còn nhiều hạn chế so với các máy NC, CNC nhƣng các
máy gia công thông thƣờng hiện nay vẫn còn đƣợc sử dụng rộng rãi với lý do
là giá thành thấp và thuận tiện cho công việc sửa chữa và cho nền sản xuất
hiện còn đang ở trình độ thấp.
ặc biệt các máy gia công trình độ thấp vẫn
còn ý nghĩa lớn đối với công việc thực tập của sinh viên các trƣờng kỹ thuật.
1.1.1.2. Máy gia công NC
ối với các máy gia công NC thì việc điều khiển các chức năng của máy
đƣợc quyết định bởi các chƣơng trình đã lập sẵn. Các máy gia công NC thì
việc điều khiển các chức năng của máy đƣợc quyết định bởi các chƣơng trình
đã lập sẵn. Các máy gia công NC rất thích hợp với dạng sản xuất hàng loạt
nhỏ và trung bình. Hệ thống điều khiển của máy NC là mạch điện tử. Thông
tin vào chứa trên băng từ hoặc băng đục lỗ, thực hiện chức năng theo từng
khối, khi khối trƣớc kết thúc, máy đọc các khối lệch tiếp theo để thực hiện các
dịch chuyển cần thiết. Các máy NC chỉ thực hiện các chức năng nhƣ: nội suy
5
đƣờng thẳng, nội suy cung tròn, chức năng đọc theo băng. Chúng không có
chức năng lƣu giữ chƣơng trình.
1.1.1.3. Máy gia công CNC
Máy gia công CNC là bƣớc phát triển cao từ các máy NC. Các máy CNC
có một máy tính để thiết lập phần mềm dùng để điểu khiển các chức năng
dịch chuyển của máy. Các chƣơng trình gia công đƣợc đọc cùng một lúc và
đƣợc lƣu trữ vào bộ nhớ. Khi gia công, máy tính đƣa ra các lệch điều khiển
đƣờng thẳng, nội suy cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol và bất kỳ mặt bậc ba
nào. Máy CNC cũng có khả năng bù chiều dài và đƣờng kính công cụ cắt. Tất
cả các chức năng trên đều đƣợc thực hiện nhờ một phần mềm của máy tính.
Các chƣơng trình lập ra có thể đƣợc lƣu trữ trên đĩa cứng hoặc đĩa mềm.
Thông số gia công của máy CNC là tốc độ chuyển động của các cơ cấu chấp
hành và công suất động cơ. Ngƣời ta dựa vào các thông số hình học (vùng gia
công) nhƣ kích thƣớc bàn máy phay hay chiều cao của tâm máy tiện để chọn
công suất động cơ, tốc độ quay của trục chính và lƣợng chạy dao.
Thiết kế máy CNC hiện đại đã đƣợc bắt nguồn từ tác phẩm của John
T.Parsons Cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 sau khi đã cung cấp
máy tính số điện tử đầu tiên có tên ENIAC cho quân đội Mỹ. Sau Thế chiến
II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi
phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp. Parsons sớm nhận ra rằng
bằng cách sử dụng máy tính I M thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những
thanh dẫn đƣờng mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay
và sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành đƣợc hợp đồng phát triển
một “máy cắt đƣờng mức tự động” cho không quân để tạo mặt cong cho cánh
máy bay. Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ
động (servomotor) chính xác, chiếc máy đƣợc chế tạo cực kì lớn, phức tạp và
6
đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong
với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay.
ến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của những chiếc máy
tự động giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành
công nghiệp khác. Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động
điện một chiều để vận dụng vô lăng và vận hành dao cụ. Các động cơ này
nhận chỉ dẫn điện từ một đầu đọc băng từ – đọc một băng giấy có chiều rộng
khoảng 2,5cm có đục một hàng lỗ. Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản
xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ
chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy giống nhƣ nhân viên vận hành.
Các xung điện đƣợc quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ.
Chúng thƣờng đƣợc gọi là NC hay máy điều khiển số.
Vào năm 1972 hệ NC có lắp máy tính nhỏ (Minicomputer) đƣợc chế tạo
hàng loạt, tạo thành hệ CNC (Computerised NC), sau đó hệ NC dùng hệ vi xử
lý cũng đƣợc gọi là hệ CNC. Năm 1978 hình thành hệ thống sản xuất linh
hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems) và tiếp đó, năm 1979 lần đầu
tiên kết nối liên hoàn CAD/CAM đƣợc nghiên cứu hình thành đã tạo ra bƣớc
đột phá về sáng tạo nhanh sản phẩm và đáp ứng nhanh thị trƣờng.
Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông tin, khoa học mô hình
hóa, tối ƣu hóa các quá trình công nghệ và các lĩnh vực khoa học khác, ngành
gia công vật liệu bằng cơ giới của thế giới trong những năm cuối của thế kỷ
20 đã có sự thay đổi sâu sắc. Năm 1984 hệ CNC với công cụ trợ giúp đồ hoạ
(graphic), tạo khả năng mô phỏng (Simulation) trên màn hình máy tính.
Những năm 1986/1987, giao diện tiêu chuẩn hóa (Standard Interfaces) giữa
hệ điều điều khiển NC và các hệ khởi động đã cải thiện độ chính xác và đáp
ứng điều khiển của các trục NC ( NC axises) và của trục chính của máy. Năm
1994 thành công khép kín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách dùng
7
hệ NURBS (Not Uniforme B-Splines) làm phƣơng pháp nội suy
(Interpolation) trong các hệ CNC. Hệ NUR S dùng dể diễn tả toán học các bề
mặt gia công bằng các điểm và các thông số tạo thành mô hình lƣới bề mặt
bằng nhiều nút, diễn tả bề mặt với sắc nét cao, truy cập trực tiếp từ hệ CAD.
Giải pháp náy cho phép giảm lƣợng dữ liệu, tăng độ chính xác và tốc độ xử
lý, tạo chuyển động đều đặn của máy, tăng tuổi thọ của máy và dao cắt.
Trong những năm gần đây kỹ thuật thực hiện ảo (Virtual Reality) đƣợc
ứng dụng, tạo khả năng mô phỏng không gian rất hiệu quả. Sự hình thành
công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Protptyping technology) dựa trên kỹ thuật
CAD và kỹ thuật LASER đã cho khả năng tạo ra hiện vật có hình thù phức
tạp một cách nhanh chóng (chỉ sau vài giờ) từ chất có khả năng kết đông dƣới
tác dụng của tia cực tím (Ultra violet – UV) từ đầu phát LASER. Dữ liệu
CAD dƣới tác dụng của tia LASER sẽ tạo ra lòng khuôn số hóa, chất kết đông
sẽ đông đặc lại trong lòng khuôn đó tạo ra hiện vật nhƣ ý đồ thiết kế với hệ
CAD.
ặc 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 chƣơng trình hệ thống CNC do nơi sản xuất máy chế tạo, cài đặt vào máy
tính kèm theo máy và đƣợc bảo vệ dƣới một mã nguồn bí mật khiến cho
ngƣời sử dụng máy không thể can thiệp đƣợc.
Trong hệ thống này, việc đƣa các dữ liệu vào hệ thống đƣợc tiến hành
trên bảng điều khiển của máy hoặc truyền dữ liệu có sẵn qua đƣờng cáp vào.
Các dữ liệu (chƣơng trình gia công) đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ của máy tính
và có thể gọi ra bất kỳ lúc nào.
Ƣu điểm của hệ điều khiển này là khi cần lập chƣơng trình gia công mới
hay sửa chữa chƣơng trình gia công cho phù hợp với sự thay đổi cấu hình sản
phẩm đƣợc tiến hành ngay trên máy nên rút ngắn thời gian chuẩn bị, giảm bớt
8
chi phí do không phải làm mới hay sửa chữa băng đục lỗ. Một số máy đƣợc
trang bị hệ điều khiển mạnh, khả năng tính toán nhanh và chính xác của máy
tính cho phép xây dựng các chƣơng trình con riêng lẻ, khi cần sử dụng sẽ
đƣợc gọi vào thực hiện trong chƣơng trình chính nên giảm bớt số câu lệnh và
thời gian cần thiết cho việc lập trình. Khi chƣơng trình gia công biên soạn
theo đúng cấu trúc và qui ƣớc đƣợc đƣa vào, bộ phận giải mã sẽ đọc và tách
ra thành các dữ liệu hình học, dữ liệu công nghệ. Khi sử dụng chƣơng trình để
gia công chi tiết, các dữ liệu này đƣợc 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 ngƣời lập trình tránh đƣợc sai sót khi lập trình.
1.1.2. Các dạng đi u khiển của máy CNC
Các máy CNC khác nhau có khả năng gia công đƣợc các bề mặt khác
nhau nhƣ các lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình ... Do đó các dạng điều khiển
của máy cũng đƣợc chia ra thành:
iều khiển theo điểm, điều khiển theo
đƣờng thẳng và điều khiển theo biên dạng (contour).
1.1.2.1. Điều khiển theo điểm
Là phƣơng thức điều khiển nhanh đồng thời theo các trục nhằm xác định
một vị trí nào đó theo yêu cầu. ây là cách điều khiển đơn giản nhất, đƣợc 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 đƣợc xác định.
Tuỳ theo dạng điều khiển, các trục có thể chuyển động kế tiếp nhau
(thực hiện từng trục một – hình 1.1a) 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.
9
Thông thƣờng khi các trục có chuyển động đồng thời thì hƣớng của hai trục
tạo thành góc 450, trục nào hoàn thành trƣớc thì kết thúc dịch chuyển trƣớc,
còn trục kia sẽ tiếp tục thực hiện dịch chuyển dao đến vị trí yêu cầu (hình
1.1b).
Dạng điều khiển này thƣờng đƣợc ứng dụng trong các máy khoan toạ
độ, máy đột lỗ, máy hàn điểm tự động...
a)
b)
Hình 1.1. Các đƣờng chạy dao trong chuyển động theo điểm
1.1.2.2. Điều khiển theo đường thẳng (tuyến tính)
Dạng điều khiển này tạo ra các đƣờng song song với các trục của máy,
trong quá trình dịch chuyển đó, dao cắt gọt liên tục tạo nên bề mặt gia công.
Nhƣ vậy với dạng điều khiển này ta chỉ có thể tạo ra mặt phẳng song song với
từng trục (hình 1.2). Trong trƣờng hợp mở rộng 2 trục của máy chuyển động
với tốc độ nhƣ nhau thì có thể gia công đƣợc bề mặt nghiêng góc 45 trong
một mặt phẳng cố định nào đó (thƣờng là mặt xoy trên máy phay, mặt xoz trên
máy tiện).
Hình 1.2. Các đƣờng chạy dao trong chuyển động theo đƣờng
10
1.1.2.3. Điều khiển theo biên dạng (contour)
Dạng điều khiển theo điểm, theo đƣờng có rất nhiều hạn chế khi gia
công các bề mặt phức tạp nhƣ mặt cong, mặt nghiêng...Dạng điều khiển theo
contour cho phép khắc phục đƣợc các hạn chế này. ằng hình thức điều khiển
này, ta có thể tạo ra các contour hoặc đƣờng thẳng hay đƣờng cong tuỳ ý
trong mặt phẳng nào đó hoặc trong không gian [4] .Nhƣ 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 lƣợng các trục đƣợc điều khiển đồng thời
mà điều khiển theo contour đƣợc chia ra làm các loại sau:
- Điều khiển 2D
iều 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.
ối với máy phay thì thƣờng là mặt xoy, đối với máy tiện là
mặt xoz.. Còn trục thứ ba đƣợc điều khiển độc lập với hai trục kia. Nhƣ vậy,
trên máy tiện có thể gia công đƣợc mặt cong, mặt cầu, trên máy phay gia công
đƣợc cung tròn. Khả năng của máy gia công CNC đã đƣợc mở rộng hơn.
1
2
- Điều khiển 2 D .
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 chƣơng trình gia công NC ta có thể chuyển đổi từ bề mặt gia công X-Y
sang bề mặt X-Z. Nhƣ vậy, với dạng điều khiển này phạm vi gia công bề mặt
chi tiết đƣợc 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 nhƣ trong dạng
điều khiển 2D nhƣng 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.
11
ây 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 đƣợc mở
rộng có thể gia công đƣợc mặt nghiêng, rãnh vát, rãnh vừa cong vừa vát và
đặc biệt khi gia công trên máy phay có thể gia công đƣợc 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) trƣớc khi thực hiện câu lệnh, nếu không chƣơng
trình sẽ bị lỗi và không thực hiện đƣợc. Ví dụ khi cắt rãnh vừa cong vừa vát
(hình 1.3).
Hình 1.3. Điều khiển 3D [4].
Mặt gia công chính là mặt xoy
Câu lệnh dịch chuyển dao từ điểm A đến điểm
là :
G02 XB YB ZB I... J....;
Trƣớc câu lệnh này phải khai báo mặt gia công chính là X-Y bằng chức
năng G17.
- 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 đƣợc các bề mặt phức tạp nhƣ
khuôn rèn, dập, đúc áp lực hay các bề mặt không gian nhƣ cánh tuốc bin.
