Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến một số thông số đặc trưng khi gia công cao tốc bề mặt khuôn

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

NGUYỄN THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT
ĐẾN MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG KHI GIA CÔNG
CAO TỐC BỀ MẶT KHUÔN

N SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2016


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

NGUYỄN THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT
ĐẾN MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG KHI GIA CÔNG
CAO TỐC BỀ MẶT KHUÔN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 62520103

:
1. PGS.TS. Nguyễn Huy Ninh
2. PGS.TS. Tăng Huy

Hà Nội - 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong các công trình nào khác!
Hà Nội, 15 tháng 6 năm 2016
Nghiên cứu sinh

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1

PGS.TS. Nguyễn Huy Ninh

Nguyễn Thanh Bình

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2

PGS.TS. Tăng Huy

-i-


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,
Viện Cơ khí và Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy đã cho phép tôi thực hiện luận án tại
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí
về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Huy Ninh và PGS.TS Tăng Huy đã

hƣớng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và
hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Công nghệ Chế tạo Máy và Trung
tâm EMCO - BKCNC - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi
những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Vinh, Ban chủ
nhiệm Khoa Cơ khí Động lực và các thầy cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong Hội đồng
chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận
án này và định hƣớng nghiên cứu trong trƣơng lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã
động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công
trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thanh Bình

-ii-


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU......................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................... viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
I. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 2

II. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 2
III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................... 2
IV. Những đóng góp mới.................................................................................................... 3
V. Cấu trúc của luận án .................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC .......................... 4
1.1. Định nghĩa về gia công cao tốc .................................................................................... 4
1.2. Đặc điểm phay cao tốc ................................................................................................. 6
1.3. So sánh phay cao tốc với phay truyền thống ............................................................. 9
1.4. Ứng dụng của gia công cao tốc.................................................................................... 9
1.5. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................................... 12
1.6. Giới hạn vấn đề nghiên cứu ...................................................................................... 14
Kết luận chương 1.............................................................................................................. 14
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH PHAY
CAO TỐC ............................................................................................................................ 15
2.1. Dụng cụ và thiết bị dùng trong phay cao tốc ........................................................... 15
2.1.1.Dụng cụ dùng trong phay cao tốc ........................................................................... 15
2.1.2.Thiết bị trong phay cao tốc ...................................................................................... 17
2.2. Sự hình thành phoi ..................................................................................................... 22
2.3. Lực cắt trong phay cao tốc ........................................................................................ 27
2.3.1. Lực cắt khi phay mặt đầu .......................................................................................... 27
2.3.2. Lực cắt khi phay ngón ............................................................................................... 30
2.4. Mòn dụng cụ ............................................................................................................... 34
2.4.1. Khái niệm mòn dụng cụ ............................................................................................ 34
2.4.2. Cơ chế mài mòn dụng cụ .......................................................................................... 34
2.4.3. Các dạng mòn phần cắt dụng cụ ............................................................................... 37
2.4.4. Chỉ tiêu đánh giá mòn của dụng cụ. .......................................................................... 38
2.4.5. Các thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới lƣợng mòn dao khi phay ............................. 39
2.5. Nhám bề mặt............................................................................................................... 40
2.5.1. Khái quát về chất lƣợng bề mặt ................................................................................ 40
2.5.2. Các thông số đặc trƣng cho độ nhám bề mặt ............................................................ 41

2.6. Ảnh hưởng của các yếu tố đến nhám bề mặt ........................................................... 49
2.6.1. Ảnh hƣởng của chế độ công nghệ đến độ nhám bề mặt ........................................... 49
2.6.2. Ảnh hƣởng của lực, nhiệt cắt và rung động đến nhám bề mặt khi phay cao tốc ...... 51
2.6.3. Ảnh hƣởng của chế độ tƣới nguội đến nhám bề mặt ................................................ 53
2.7. Nhiệt cắt trong phay cao tốc...................................................................................... 54
2.7.1. Nhiệt trong quá trình gia công .................................................................................. 54
2.7.2. Đo nhiệt cắt trong quá trình gia công ........................................................................ 56
2.7.3. Nhiệt trong quá trình gia công cao tốc ...................................................................... 58

-iii-


2.8. Rung động trong phay cao tốc .................................................................................. 59
Kết luận chương 2.............................................................................................................. 60
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ..................... 61
3.1. Mô hình thực nghiệm ................................................................................................. 61
3.1.1. Sơ đồ thực nghiệm .................................................................................................... 61
3.1.2. Mô hình thực nghiệm ................................................................................................ 61
3.1.3. Các đại lƣợng đầu vào ............................................................................................... 63
3.1.4. Các đại lƣợng đầu ra ................................................................................................. 64
3.1.5. Các đại lƣợng cố định ............................................................................................... 64
3.1.6. Các đại lƣợng nhiễu .................................................................................................. 64
3.2. Điều kiện thực nghiệm ............................................................................................... 64
3.2.1. Máy phay CNC ......................................................................................................... 64
3.2.2. Phôi thực nghiệm ...................................................................................................... 65
3.2.3. Dụng cụ cắt ............................................................................................................... 66
3.2.4. Đồ gá ......................................................................................................................... 66
3.2.5. Các thông số cố định khác ........................................................................................ 66
3.3. Các thiết bị đo ............................................................................................................. 67
3.3.1. Thiết bị đo lực cắt. .................................................................................................... 67

3.3.2. Thiết bị đo chiều cao nhấp nhô bề mặt ..................................................................... 67
3.3.3. Thiết bị đo mòn dao .................................................................................................. 68
3.4. Lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm ....................................................................... 69
3.4.1. Vai trò của quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thực nghiệm ......................... 69
3.4.2. Đối tƣợng của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành công nghiệp ...................... 70
3.4.3. Các phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm ................................................................ 71
3.5. Phần mềm quy hoạch thực nghiệm DX6 ................................................................. 79
3.5.1. Giới thiệu phần mềm DX6 ........................................................................................ 79
3.5.2. Các bƣớc thực hiện cơ bản trên phần mềm DX6 ...................................................... 80
3.5.3. Phân tích kết quả ....................................................................................................... 81
3.5.4. Giải bài toán tối ƣu hoá trên phần mềm DX6 ........................................................... 82
3.6. Xây dựng mối quan hệ giữa chế độ cắt đến độ nhám bề mặt, lực cắt và mòn
dao………………………… ............................................................................................... 83
3.6.1. Quy trình xây dựng mối quan hệ giữa chế độ cắt đến độ nhám bề mặt, lực cắt và
mòn dao ............................................................................................................................... 83
3.6.2. Các bƣớc thực hiện bài toán quy hoạch trực giao cấp I ............................................ 83
Kết luận chương 3.............................................................................................................. 85
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN
LỰC CẮT, MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHUÔN KHI PHAY TRÊN MÁY
UCP600 ............................................................................................................................... 86
4.1. Mục đính của thực nghiệm........................................................................................ 86
4.2. Xác định miền thực nghiệm ...................................................................................... 86
4.3. Nội dung thực nghiệm............................................................................................... 88
4.4. Kết quả đo thực nghiệm và xử lý kết quả ................................................................. 89
4.4.1. Thực nghiệm đo lực cắt và xây dựng mô hình toán học lực cắt phụ thuộc vào chế độ
cắt khi phay cao tốc ............................................................................................................. 89
4.4.2. Thực nghiệm đo độ mòn dụng cụ và xây dựng mô hình toán học độ mòn dụng cụ
phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. ......................................................................... 98
4.4.3. Thực nghiệm đo độ nhám bề mặt và xây dựng mô hình toán học nhám bề mặt phụ
thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. .............................................................................. 104

PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 118

-iv-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

HSC
HSM
HSM
CNC
EDM
HRC
HB
HV
Dtr
D
N
n
v
s
fz
ae
t(ap)
Rz
Ra
Fx
Fy
Fz

Fxc
Fyc
Fzc
Fr
Ft
Fa
h
CBN
TiCN
TiN
TiCN
TiAlN
DX6
QHTN

Diễn giải

High Speed Cutting (Cắt cao tốc)
High Speed Machining (Gia công cao tốc)
High Speed Milling (Phay cao tốc)
Computer Numerical Control (Điều khiển số trợ giúp máy tính)
Electrical Discharge Machining (Gia công tia lửa điện)
Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Rockwell C
Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Brinell
Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Vickers
Đƣờng kính trong vòng ổ
Đƣờng kính dụng cụ cắt
Số lƣỡi cắt của dụng cụ cắt
Tốc độ vòng quay trục chính
Tốc độ cắt

Tốc độ lƣợng chạy dao
Lƣợng chạy dao răng
Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính
Chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục
Chiều cao nhấp nhô trung bình của bề mặt chi tiết
Sai lệch profin trung bình của bề mặt chi tiết
Thành phần lực cắt theo phƣơng X khi phay bằng dao mặt đầu
Thành phần lực cắt theo phƣơng Y khi phay bằng dao mặt đầu
Thành phần lực cắt theo phƣơng Z khi phay bằng dao mặt đầu
Thành phần lực cắt theo phƣơng X khi phay bằng dao cầu
Thành phần lực cắt theo phƣơng Y khi phay bằng dao cầu
Thành phần lực cắt theo phƣơng Z khi phay bằng dao cầu
Thành phần lực cắt theo phƣơng pháp tuyến
Thành phần lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến
Thành phần lực cắt theo phƣơng dọc trục
Độ dày của phoi
Cubic boron nitride - Nitrit bo lập phƣơng
Titanium carbonitride
Titan Nitride
Titanium Carbide Nitride
Titanium Alumium Nitride
Phần mềm quy hoạch thực nghiệm
Quy hoạch thực nghiệm

-v-

Đơn vị

HRC
HB

HV
mm

Vòng/phút
m/phút
mm/phút
mm/răng
mm
mm
m
m
N
N
N
N
N
N
N
N
N
mm


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh vận tốc cắt sử dụng trong gia công thông thƣờng và gia công cao tốc ... 4
Bảng 2.1. So sánh tốc độ của máy gia công cao tốc và máy gia công thƣờng.................... 21
Bảng 2.2. Một số máy gia công cao tốc trục thẳng đứng của một số hãng nổi tiếng ......... 22
Bảng 3.1. Đặc tính kỹ thuật của máy phay MIKRON UCP 600 ........................................ 64
Bảng 3.2. Thành phần hóa học của thép SKD11 ................................................................ 65
Bảng 3.3. Cơ tính của thép SKD11 sau khi nhiệt luyện...................................................... 65

Bảng 3.4. Các thông số của dao phay mặt đầu ................................................................... 66
Bảng 3.5. Các thông số của dao phay ngón đầu cầu [14] ................................................... 66
Bảng 4.1. Giá trị các yếu tố đầu vào của thực nghiệm khi phay mặt đầu ........................... 86
Bảng 4.2. Giá trị các yếu tố đầu vào của thực nghiệm khi phay bằng dao phay ngón đầu
cầu........................................................................................................................................ 86
Bảng 4.3. Quy hoạch thực nghiệm các thông số đầu vào khi phay bằng dao phay mặt đầu
............................................................................................................................................. 87
Bảng 4.4. Quy hoạch thực nghiệm các thông số đầu vào khi phay bằng dao phay ngón đầu
cầu........................................................................................................................................ 87
Bảng 4.5. Kết quả đo lực cắt thành phần Fx ........................................................................ 89
Bảng 4.6. Kết quả đo lực cắt thành phần Fy ........................................................................ 90
Bảng 4.6. Kết quả đo lực cắt thành phần Fz ........................................................................ 90
Bảng 4.8. Các giá trị bj theo biến mã hóa ........................................................................... 91
Bảng 4.9. Các giá trị bj theo biến mã hóa ........................................................................... 92
Bảng 4.10. Các giá trị bj theo biến mã hóa ......................................................................... 93
Bảng 4.11. So sánh lực cắt khi phay thƣờng và phay cao tốc ............................................. 93
Bảng 4.12. Kết quả đo lực cắt thành phần Fxc ..................................................................... 94
Bảng 4.13. Kết quả đo lực cắt thành phần Fyc ..................................................................... 94
Bảng 4.14. Kết quả đo lực cắt thành phần Fzc ..................................................................... 95
Bảng 4.15. Các giá trị bj theo biến mã hóa ......................................................................... 96
Bảng 4.16. Các giá trị bj theo biến mã hóa ......................................................................... 96
Bảng 4.17. Các giá trị bj theo biến mã hóa ......................................................................... 97
Bảng 4.18. So sánh lực cắt khi phay thƣờng và phay cao tốc ............................................. 98
Bảng 4.19. Kết quả đo độ mòn mặt sau thời điểm 15 phút. ................................................ 98
Bảng 4.20. Các giá trị bj theo biến mã hóa ......................................................................... 99
Bảng 4.21. Kết quả đo độ mòn mặt trƣớc thời điểm 15 phút. ........................................... 100
Bảng 4.22. Các giá trị bj theo biến mã hóa ....................................................................... 101
Bảng 4.23. Kết quả thực nghiệm đo độ mòn mặt sau khi gia công với các góc nghiêng θ
khác nhau ........................................................................................................................... 101
Bảng 4.24. Kết quả thực nghiệm đo mòn mặt trƣớc khi gia công với các góc nghiêng θ

khác nhau ........................................................................................................................... 103
Bảng 4.25. Kết quả đo độ nhám bề mặt khi phay mặt đầu ............................................... 104
Bảng 4.26. Các giá trị bj theo biến mã hóa ....................................................................... 105
Bảng 4.27. So sánh độ nhám khi phay thƣờng và phay cao tốc........................................ 106
Bảng 4.28. Chế độ công nghệ khi gia công với các góc nghiêng dao khác nhau ............. 107
Bảng 4.29. Kết quả thực nghiệm khi gia công với các góc nghiêng dao khác nhau......... 108
Bảng 4.30. Kết quả đo độ nhám bề mặt ............................................................................ 109
Bảng 4.31. Các giá trị bj theo biến mã hóa ....................................................................... 110
Bảng 4.32. So sánh độ nhám khi phay thƣờng và phay cao tốc........................................ 110
Bảng PL1.1. Giá trị các yếu tố đầu vào của thực nghiệm khi phay mặt đầu .................... 118
Bảng PL1.2. Giá trị các yếu tố đầu vào của thực nghiệm khi phay bằng dao phay ngón đầu
cầu...................................................................................................................................... 118
-vi-


Bảng PL1.3. Quy hoạch thực nghiệm các thông số đầu vào khi phay bằng dao phay mặt
đầu ..................................................................................................................................... 118
Bảng PL1.4. Quy hoạch thực nghiệm các thông số đầu vào khi phay bằng dao phay ngón
đầu cầu ............................................................................................................................... 119
Bảng PL2. Tiêu chuẩn Student ......................................................................................... 120
( n1 , n2 )
Bảng PL3.1. Tiêu chuẩn Fisher f .............................................................................. 121

f( n1 ,n2 )

Bảng PL3.3. Tiêu chuẩn Fisher

( n1 , n2 )


f

Bảng PL3.4. Tiêu chuẩn Fisher

( n1 , n2 )


f

Bảng PL3.5. Tiêu chuẩn Fisher
Bảng PL3.6. Tiêu chuẩn Fisher

( n1 , n2 )


f

(tiếp).................................................................... 123
(tiếp).................................................................... 124
(tiếp).................................................................... 125
(tiếp)..................................................................... 126

( n1 , n2 )


f
Bảng PL3.7. Tiêu7chuẩn Fisher
(tiếp)..................................................................... 127
Bảng PL 4: Các giá trị Ra, Rz và các chiều dài chuẩn L ứng với các cấp độ nhám bề mặt
........................................................................................................................................... 128

-vii-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Nhiệt độ khi phay cao tốc theo dự đoán của Salomon [32] .................................. 4
Hình 1.2. Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công [30] ......................................................... 5
Hình 1.3. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến lực cắt ................................................................. 6
Hình 1.4. Các vùng nhiệt cắt khác trong quá trình cắt vuông góc. ....................................... 7
Hình 1.5. Đƣờng cong về nhiệt của Salomon và Mc Gee. ................................................... 7
Hình 1.6. Nhiệt cắt của chi tiết và dao tại v =600 m/phút, Sz=0,25mm/răng ....................... 8
Hình 1.7. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt .............................................................. 8
Hình 1.8. So sánh khả năng bóc tách vật liệu phay truyền thống và phay cao tốc [41] ....... 9
Hình 1.9. Nhám bề mặt khi cắt bằng dao phay ngón đầu cầu ............................................ 10
Hình 1.10. Khuôn đúc pha đèn trƣớc .................................................................................. 10
Hình 1.11. Điện cực đồng để gia công EDM ...................................................................... 11
Hình 1.12. Khuôn dập ......................................................................................................... 11
Hình 1.13. Các kiểu khuôn để gia công cao tốc ................................................................. 11
Hình 1.14. Điện cực EDM có thành mỏng ......................................................................... 11
Hình 1.15. Bộ phân phối nhiên liệu .................................................................................... 12
Hình 1.16. Chi tiết ở bộ phận hạ cánh của máy bay vận tải Boeing Cargo C-17 ............... 12
Hình 1.17. So sánh các thành phần lực cắt với độ sâu dọc trục khác nhau khi thuận phay
nghịch ở tốc độ cắt 314 m / phút và chiều sâu cắt theo phƣơng bán kính ae= 0,5 mm ....... 13
Hình 2.1. Mảnh hợp kim có CBN ở mũi và mảnh CBN nguyên khối ................................ 16
Hình 2.2. Dụng cụ có lớp phủ TiCN ................................................................................... 16
Hình 2.3. Kết cấu máy phay cao tốc ................................................................................... 18
Hình 2.4. Trục chính của máy gia công tốc độ cao (Fischer170-40-40:40
krpm/40kW,SK63F) ............................................................................................................ 18
Hình 2.5. Ổ với bi làm bằng ceramic .................................................................................. 19
Hình 2.6. Vít me đai ốc bi ................................................................................................... 19

Hình 2.7. Bàn xoay trên máy CNC ..................................................................................... 20
Hình 2.8. Trung tâm phay cao tốc Mikron UCP600 ........................................................... 22
Hình 2.9. Sơ đồ quá trình hình thành phoi .......................................................................... 22
Hình 2.10. Sự biến dạng kim loại trong vùng cắt [9] ......................................................... 23
Hình 2.11. Các dạng phoi cắt [9] ........................................................................................ 24
Hình 2.12. Phoi sinh ra từ những vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vòng, t = 100µm) [47] 25
Hình 2.13. Bề dày phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vòng, t = 100µm)
[47] ...................................................................................................................................... 25
Hình 2.14. Hình thái của phoi nhận đƣợc trong vùng gia công thông thƣờng
và gia công cao tốc [47]....................................................................................................... 25
Hình 2.15. Mặt cắt của việc hình thành phoi trong gia công khi cắt [47]........................... 26
Hình 2.16. Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng khi thay đổi vận tốc cắt
[47] ...................................................................................................................................... 26
Hình 2.17. Dao phay mặt đầu ............................................................................................. 27
Hình 2.18. Chiều dày cắt khi phay...................................................................................... 28
Hình 2.19. Lực cắt thay đổi hƣớng khi gia công [9] ........................................................... 28
-viii-


Hình 2.20. Lực cắt khi phay mặt đầu .................................................................................. 29
Hình 2.21. Phƣơng trình đƣờng xicloit (trên) và phƣơng trình xấp xỉ bằng đƣờng tròn
(dƣới) [13] ........................................................................................................................... 30
Hình 2.22. Lƣợng chạy dao khi phay [13] .......................................................................... 30
Hình 2.23. Góc dao vào, góc dao ra trong phay nghịch (a) và phay thuận (b) ................... 31
Hình 2.24. Lực cắt khi phay cao tốc [13] ........................................................................... 31
Hình 2.25. Mô hình quá trình phay cao tốc [13]................................................................. 32
Hình 2.26. Mài mòn hạt mài (cào xƣớc) ............................................................................. 35
Hình 2.27. Cơ chế mài mòn dụng cụ .................................................................................. 35
Hình 2.28. Mài mòn chảy dính ........................................................................................... 36
Hình 2.29. Mòn khuếch tán................................................................................................. 36

Hình 2.30. Mòn ôxy hóa ..................................................................................................... 36
Hình 2.31. Mòn do nhiệt ..................................................................................................... 37
Hình 2.32. Mòn mặt sau dao phay ngón ............................................................................. 37
Hình 2.33. Mòn mặt trƣớc dao phay ngón .......................................................................... 38
Hình 2.34. Mòn cả mặt trƣớc và mặt sau ............................................................................ 38
Hình 2.35. Mòn tù lƣỡi cắt dao phay ngón ......................................................................... 38
Hình 2.36. Độ mòn mặt sau liên quan đến thời gian và tốc độ cắt khác nhau [36] ............ 38
Hình 2.37. Ảnh hƣởng tốc độ cắt đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop
khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard(CMC 03.22), 380HB [38]....................... 39
Hình 2.38. Ảnh hƣởng lƣợng chạy dao đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ
Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard (CMC 03.22), 380HB [38] ........ 40
Hình 2.39. Ảnh hƣởng chiều sâu cắt ar đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ
Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard (CMC 03.22), 380HB [38] ........ 40
Hình 2.40. Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy................................ 42
Hình 2.41. Bề mặt đƣợc số hóa theo ba kích thƣớc ............................................................ 43
Hình 2.42. Định nghĩa của hƣớng vết gia công bề mặt ...................................................... 46
Hình 2.43. Đƣờng cong tỉ lệ giữa các vùng chịu lực ......................................................... 47
Hình 2.44. Ảnh hƣởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến độ nhám
bề mặt khi tiện [16].............................................................................................................. 49
Hình 2.45. Mối quan hệ giữa vận tốc cắt với độ nhấp nhô tế vi lớp bề mặt [10] ............... 50
Hình 2.46. Mối quan hệ giữa vận tốc cắt V và độ nhám bề mặt Ra .................................... 50
Hình 2.47. Mối quan hệ giữa lƣợng tiến dao s và độ nhám bề mặt Ra ............................... 51
Hình 2.48. Lƣợng tiến dao và bán kính của dao cắt ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt [22] 52
Hình 2.49. So sánh nhiệt trong quá trình gia công phƣơng pháp gia công truyền thống ... 52
và gia công cao tốc .............................................................................................................. 52
Hình 2.50. Các phƣơng pháp bôi trơn trong HSM ............................................................. 53
Hình 2.51. Các vùng sinh nhiệt trong quá trình cắt ............................................................ 54
Hình 2.52. Giao diện phần mềm ThermaCAM [58] ........................................................... 59
Hình 2.53. So sánh mức độ truyền nhiệt khi gia công bằng HSM và gia công truyền thống
............................................................................................................................................. 59

Hình 3.1. Sơ đồ nghiên cứu quá trình phay bằng thực nghiệm .......................................... 61

-ix-


Hình 3.2. Mô hình phay 3 trục ............................................................................................ 62
Hình 3.3. Mô hình phay 5 trục ............................................................................................ 62
Hình 3.4. Mô hình thực nghiệm .......................................................................................... 62
Hình 3.5. Gia công mặt nghiêng ......................................................................................... 62
Hình 3.6. Gia công mặt cong trong bằng dao phay ngón đầu cầu ...................................... 62
Hình 3.7. Gia công mặt cong ngoài bằng dao phay ngón đầu cầu ...................................... 63
Hình 3.8. Gia công các hốc phức tạp bằng dao phay ngón đầu cầu ................................... 63
Hình 3.9. Gia công mặt cong trong bằng dao phay mặt đầu ............................................... 63
Hình 3.10. Mô hình thực nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của góc nghiêng dao và hƣớng gia
công ..................................................................................................................................... 63
Hình 3.11. Hình ảnh máy UCP 600 .................................................................................... 65
Hình 3.12. Dao phay mặt đầu [14]...................................................................................... 66
Hình 3.13. Dao phay ngón đầu cầu [14] ............................................................................. 66
Hình 3.14. Thiết bị đo lực cắt và biểu đồ đo lực ................................................................ 67
Hình 3.15. Máy đo độ nhám bề mặt chuyên dùng SV-C300CNC...................................... 68
Hình 3.16. Máy hiển vi quang học Quick Scope QS250Z và kết quả đo ........................... 68
Hình 3.17. Hình ảnh vết mòn mặt sau của dao phay ngón đầu cầu trƣớc và sau khi gia
công ..................................................................................................................................... 68
Hình 3.18. Hình ảnh vết mòn mặt trƣớc của dao phay ngón đầu cầu trƣớc và sau khi gia
công ..................................................................................................................................... 69
Hình 3.19. Sơ đồ đối tƣợng nghiên cứu có và không có nhiễu [4] ..................................... 70
Hình 3.20. Mô hình đối tƣợng công nghệ MIMO (nhiều vào, nhiều ra) [4] ...................... 71
Hình 3.22. Màn hình lựa chọn số yếu tố đầu vào và phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm
............................................................................................................................................. 80
Hình 3.23. Các bƣớc thực hiện cơ bản trên phần mềm DX6 .............................................. 81

Hình 3.24. Lựa chọn hiển thị dạng điểm ............................................................................ 81
Hình 3.26. Dạng phƣơng trình hồi quy tìm đƣợc ............................................................... 82
Hình 3.27. Kết quả giải bài toán tối ƣu ............................................................................... 82
Hình 3.28. Lƣu đồ thuật toán các bƣớc thực hiện bài toán QHTNTG cấp I....................... 84
Hình 4.1. Mô hình phay hốc ............................................................................................... 88
Hình 4.2. Bản vẽ chi tiết gia công....................................................................................... 89
Hình 4.3. Hình ảnh các chi tiết mẫu đã gia công ................................................................ 89
Hình 4.7. Ảnh hƣởng của t, s, v đến Fxc.............................................................................. 96
Hình 4.9. Ảnh hƣởng của t, s, v đến Fzc .............................................................................. 97
Hình 4.10. Ảnh hƣởng của v,s,t đến VB. ............................................................................. 99
Hình 4.13. Biểu đồ mòn mặt trƣớc khi gia công với các góc nghiêng θ khác nhau ......... 103
Hình 4.16. Các hƣớng nghiêng dao .................................................................................. 106
Hình 4.17. Các phƣơng pháp cắt....................................................................................... 107
Hình 4.18. Kết quả độ nhám Ra của các phƣơng pháp cắt................................................ 108
Hình 4.19. Phƣơng pháp cắt khi góc nghiêng dao θ=150, hƣớng chạy dao từ (+x)(-x) 109
Hình 4.20. Ảnh hƣởng của t,s,v đến Ra ............................................................................ 110
Hình PL5.1. Đặt tên và thứ nguyên của các yếu tố đầu vào............................................. 129

-x-


Hình PL5.2. Khai báo các biến đầu ra .............................................................................. 129
Hình PL5.3. Lựa chọn phƣơng pháp thiết kế thực nghiệm .............................................. 129
Hình PL5.4. Lựa chọn các thông số quy hoạch ................................................................ 130
Hình PL5.5. Các điểm thử nghiệm ................................................................................... 130
Hình PL5.6. Lựa chọn mô hình toán học ......................................................................... 130
Hình PL6.1. Ghi và xử lý số liệu trên phần mêm đo lực .................................................. 131
Hình PL6.2. Kết hợp với Giảng viên hƣớng dẫn kết nối thiết bị đo lực với máy tính ..... 131
Hình PL6.3. Làm sạch và làm mát trong quá trình phay.................................................. 132

-xi-


MỞ ĐẦU
Gia công tinh là một giai đoạn gia công rất quan trọng trong quá trình công nghệ gia
công cơ. Đây cũng là vấn đề mà ngành Công nghệ chế tạo máy cần tập trung giải quyết
nhằm để tạo ra các sản phẩm, các chi tiết máy đạt yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.
Đặc biệt là trong gia công khuôn mẫu, các bề mặt chính của khuôn thƣờng là những bề mặt
phức tạp, có yêu cầu độ chính xác cao về kích thƣớc, vị trí, hình dáng hình học và độ nhẵn
bóng bề mặt.
Khuôn là dụng cụ để sản xuất ra hàng loạt sản phẩm giống nhau với năng suất cao,
chất lƣợng ổn định và giá thành hạ. Bề mặt khuôn thƣờng có hình dạng phức tạp và yêu
cầu độ cứng cao để đảm bảo độ bền và độ chính xác trong suốt quá trình sản xuất cả loạt
sản phẩm đã định. Để đáp ứng các yêu cầu đó khuôn thƣờng đƣợc chế tạo từ phôi sống
hoặc đã tôi cải thiện, sau đó qua nhiệt luyện rồi phải gia công sau nhiệt luyện, đây là các
nguyên công rất khó thực hiện. Trƣớc kia gia công khuôn mẫu ngƣời ta thƣờng dùng
phƣơng pháp gia công trên máy công cụ thông thƣờng hoặc máy CNC rồi gia công tinh
bằng tay, song phƣơng pháp này mất nhiều thời gian, chất lƣợng không ổn định, phụ thuộc
nhiều vào kinh nghiệm, tay nghề của công nhân và chi phí sản xuất cao. Chính vì vậy cho
đến nay công nghiệp khuôn mẫu của ta vẫn chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu sản xuất khuôn có
bề mặt bóng gƣơng mà phải nhập ngoại. Để khắc phục các tình trạng trên hiện nay trong
ngành công nghiệp chế tạo khuôn ngƣời ta áp dụng Công nghệ phay cao tốc kết hợp với
quy trình đánh bóng khuôn bằng dụng cụ hạt mài.
Phay cao tốc (High Speed Milling – HSM) là một trong những công nghệ quan trọng
trong công nghệ gia công cơ khí. Thực tế công nghệ phay cao tốc trên thế giới đang phát
triển rất mạnh, đối với Việt Nam phay cao tốc còn mới, các Doanh nghiệp và cơ sở sản
xuất gặp khó khăn trong khai thác và đầu tƣ. Với mục tiêu nâng cao chất lƣợng bề mặt chi
tiết khuôn từ công nghệ phay để giảm thời gian gia công tinh bóng bằng dụng cụ mang hạt
mài tác giả đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng công nghệ phay cao tốc trong quá trình gia
công khuôn phƣơng pháp nghiên cứu ở đây là kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.

Ngoài ra khi xét về ảnh hƣởng của các yếu tố vật liệu dụng cụ cắt và thông số hình
học của dụng cụ đã đƣợc hãng chế tạo dụng cụ cắt nghiên cứu và đƣa ra các khuyến cáo
[38,50]. Đối với một thiết bị hay một trung tâm gia công nhất định thì năng suất hay độ
nhám bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào thông số công nghệ. Đặc biệt hơn nữa bề mặt chi tiết
sau khi phay cao tốc có thể đạt độ bóng bề mặt tƣơng đƣơng với phƣơng pháp mài, thời
gian đánh bóng bề mặt sau khi phay cao tốc giảm rất nhiều so với phƣơng pháp phay
truyền thống, năng suất bóc tách cao hơn phƣơng pháp phay truyền thống [41]. Tuy vậy,
dụng cụ cắt mòn nhanh hơn trong quá trình gia công vì tốc độ cắt lớn.
Các sản phẩm cơ khí ngày càng có yêu cầu cao về độ chính xác về kích thƣớc, hình
dáng hình học và đảm bảo tính kinh tế là mục tiêu cần đạt đƣợc trong nền công nghiệp sản
xuất cơ khí hiện đại. Vì vậy, máy công cụ đã phát triển theo hƣớng này, đặc biệt trong gia
công các bộ phận phức tạp nhƣ khuôn, khuôn mẫu, chân tay giả, cánh tuabin và các bộ
phận hàng không vũ trụ có thể đƣợc gia công một cách hiệu quả bằng phay năm trục.
Nhờ sự tiến bộ của công nghệ chế tạo máy công cụ mà các thế hệ máy phay cao tốc
đƣợc ra đời và đƣa vào nghiên cứu và sản xuất ở các nƣớc tiên tiến trên thế giới. Ở Việt
Nam các nghiên cứu về lĩnh vực phay cao tốc chƣa nhiều vì máy và dụng cụ cắt cao tốc
còn rất hiếm. Gần đây, do nhu cầu hội nhập và hiện đại hóa đất nƣớc, có nhiều dự án đầu
tƣ trong giáo dục và trong công nghiệp mà các máy CNC 5 trục cao tốc đƣợc nhập ngoại
vào Việt Nam, đề tài phay cao tốc trở nên có tính thực tiễn và cấp thiết.
Những phân tích trên là cơ sở, tiền đề cho tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh
hưởng của chế độ cắt đến một số thông số đặc trưng khi gia công cao tốc bề mặt khuôn”
nhằm mục đích xác định chế độ cắt và phƣơng pháp cắt hiệu quả trong quá trình phay cao

-1-


tốc góp phần vào khai thác, sử dụng có hiệu quả máy và thiết bị phay cao tốc trong sản
xuất và các nghiên cứu tiếp theo.

I. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

*) Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận án là tìm ra mối quan hệ giữa chế độ cắt, chiến lƣợc chạy dao, góc
nghiêng dao đến lực cắt, mòn dao và độ nhám bề mặt làm cơ sở để nâng cao năng suất và
chất lƣợng sản phẩm khi phay cao tốc bề mặt khuôn.
*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận án nghiên cứu về lý thuyết liên quan đến sự hình thành nhám và các thông số
đặc trƣng ảnh hƣởng đến nhám bề mặt khi phay cao tốc.
Nghiên cứu, ứng dụng trên phần mềm quy hoạch thực nghiệm DX6 xây dựng hàm
quan hệ toán học giữa thông số chế độ cắt với các yếu tố: lực cắt, mòn dao và độ nhám bề
mặt khi phay cao tốc.
Các nghiên cứu thực nghiệm đƣợc thực hiện gia công trên vật liệu thép làm khuôn
SKD11
Dụng cụ cắt gia công đƣợc thép có độ cứng 19- 48 HRC.
Khi phay bằng dao phay mặt đầu: dùng dao mặt đầu ф 32, số lƣỡi cắt: 4, lớp phủ
Cooltop (TiAlN - Titan Nhôm Nito), góc nghiêng Helix: 35 độ.
Khi phay bằng dao phay ngón đầu cầu: dùng dao cầu ф10, số lƣỡi cắt: 2, lớp phủ
Cooltop (TiAlN - Titan Nhôm Nito), góc nghiêng Helix: 35 độ.
Thiết bị gia công: máy phay cao tốc 5 trục UCP 600, tốc độ quay trục chính điều
khiển vo cấp từ: 0 ÷ 19600 (v/p), tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1÷30000(mm/p),
Công suất 46 kVA.

II. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đƣợc sử dụng xuyên suốt
trong nghiên cứu này. Kết hợp giữa lý thuyết thông qua tổng hợp các nghiên cứu về công
nghệ phay cao tốc và tập hợp, kế thừa các kết quả trƣớc đây của các đề tài liên quan về gia
công cao tốc với thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá. Tăng cƣờng trao đổi và tiếp thu ý
kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện phƣơng
pháp nghiên cứu, cũng nhƣ mở rộng hợp tác với các cơ sở nghiên cứu, sản xuất trong nƣớc
để thực hiện tốt việc nghiên cứu và triển khai thử nghiệm.
Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, ứng dụng phần

mềm quy hoạch thực nghiệm xử lý số liệu.
Nghiên cứu lý thuyết để làm rõ khái niệm HSM và nhám bề mặt, quá trình mòn dao.
Phân tích tác động tƣơng hỗ giữa các thông số chế độ cắt đến lực cắt, độ nhám bề mặt,
mòn dao và phƣơng pháp gia công hợp lý.
Thực nghiệm gia công để xây dựng hàm quan hệ thông số chế độ cắt với các yếu tố
trong và sau quá trình cắt: lực cắt, độ nhám bề mặt, mòn dao, phƣơng pháp cắt.

III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
ngh a khoa h c
Luận án đã xác định đƣợc mối quan hệ giữa các số yếu tố công nghệ đến các thông số
đặc trƣng trong HSM, bao gồm: ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến lực cắt, mòn
dao và nhám bề mặt. Các quy trình này đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh
giá hiện hành cũng nhƣ hệ thống thiết bị đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam.
ngh a thực ti n
Kết quả nghiên cứu có thể là tài liệu tham khảo phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo,
là cơ sở để các nhà công nghệ chọn phƣơng pháp, chế độ cắt, góc nghiêng dao khi phay

-2-


cao tốc trong thực tiễn.
Luận án góp phần cung cấp kiến thức, cũng nhƣ tƣ vấn cho ngƣời sử dụng phƣơng
tiện trong việc sử dụng, vận hành đúng cách trong phay cao tốc.

IV. Những đóng góp mới
Đã xây dựng và kết nối hệ thống trang thiết bị đảm bảo tính khoa học và độ tin cậy
phục vụ cho các nghiên cứu thực nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm để so sánh làm rõ ƣu điểm của phay cao tốc so với phay
truyền thống trong một số trƣờng hợp.
Đánh giá đƣợc mức độ ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến lực cắt, mòn dao

và độ nhám bề mặt của chi tiết trong quá trình phay cao tốc bề mặt khuôn bằng dao phay
mặt đầu và dao phay ngón đầu cầu trên vật liệu thép hợp kim SKD11.
Đã xây dựng đƣợc những hàm quan hệ của lực cắt, mòn dao và độ nhám với các thông
số chế độ cắt khi phay cao tốc bề mặt khuôn.
Xác định đƣợc phƣơng pháp cắt và góc nghiêng trục dao phay ngón đầu cầu hợp lý
trong gia công khuôn.

V. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm các phần chính sau:
 Mở đầu
 Chƣơng 1. Nghiên cứu tổng quan về phay cao tốc
 Chƣơng 2. Nghiên cứu các đặc trƣng cơ bản của quá trình phay cao tốc
 Chƣơng 3. Nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm
 Chƣơng 4. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của chế độ cắt đến lực cắt, mòn dao
và độ nhám bề mặt khuôn khi phay trên máy UCP600
 Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo

-3-


CHƢƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG
CAO TỐC
1.1. Định nghĩa về gia công cao tốc
Gia công tốc độ cao (High Speed Machining- HSM) đƣợc xem là một trong những
lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy. Thực ra gia công cao tốc không mới, nó đã đƣợc
thực hiên cách đây hơn 40 năm, so với gia công thông thƣờng, nó nâng cao năng suất, độ
chính xác và chất lƣợng chi tiết gia công đồng thời cũng giảm chi phí và thời gian gia
công.
Định nghĩa đầu tiên về HSM đƣợc công bố bởi Carl Salomon vào năm 1931. Dựa trên
nghiên cứu về cắt kim loại trên thép và hợp kim màu: vận tốc cắt v c = 440 m/phút (thép),

1600 m/phút (đồng), 16.500 m/phút (nhôm) ông cho rằng ở một tốc độ cắt nhất định
(khoảng gấp 5 đến 10 lần so với gia công thông thƣờng), nhiệt độ ở vùng tiếp giáp của
dụng cụ với phoi bắt đầu giảm (hình 1.1). Salomon thực hiện nghiên cứu cơ bản của mình
trên lƣỡi cƣa tròn, vì tốc độ quay cao không có nên ông đã tăng đƣờng kính để đạt tốc độ
cắt cao.

Hình 1.1. Nhiệt độ khi phay cao tốc theo dự đoán của Salomon [32]

Có nhiều định nghĩa rất khác nhau về gia công cao tốc, một số chuyên gia cho rằng
gia công cao tốc là sử dụng tốc độ cắt lớn gấp nhiều lần gia công thông thƣờng (2-50 lần).
Một số ví dụ về tốc độ cắt trong gia công thông thƣờng và tốc độ cắt trong gia công
cao tốc đƣợc thể hiện ở bảng 1.1.
Bảng 1.1. So sánh vận tốc cắt sử dụng trong gia công thông thường và gia công cao tốc
Vật liệu

Steel 01.2
Steel 02.1/2
Steel 03.11
Steel 03.11
Steel 04
GCl 08.1
Al/Kirsite
Non-Ferr

Độ cứng

150 HB
330 HB
300 HB
39- 48 HRC

48- 58 HRC
180 HB
60- 75 HB
100 HB

Gia công
truyền thống Vc

300
200
100
80
40
300
1000
300

-4-

HSM Vc (thô)

400
250
200
150
100
500
2000
1000

HSM Vc (tinh)

900
600
400
350
250
3000
5000
2000


Với nhu cầu tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất, các nghiên cứu đã đƣợc tiến
hành kể từ cuối những năm 1950 để tăng tốc độ tách vật liệu trong gia công, đặc biệt cho
những ứng dụng trong công nghiệp hàng không vũ trụ và công nghiệp ô tô.
Cụm từ cao tốc là khá chung chung. Nhƣ những quan niệm thông thƣờng, các khoảng
của tốc độ cắt có thể đƣợc chia nhƣ sau:
- Tốc độ cao: 600- 1800 m/phút
- Tốc độ rất cao: 1800-18000 m/phút
- Tốc độ cực cao > 18000 m/phút
Ngày nay, tốc độ quay của trục chính có thể lên tới 40.000 vòng/phút. Tuy nhiên trong
công nghiệp ô tô ngày nay, ngƣời ta thƣờng hạn chế tốc độ chỉ còn khoảng 15.000
vòng/phút để độ tin cậy cao hơn và thời gian ngừng do máy hỏng hóc (downtime) ít hơn.
Năng lƣợng của trục chính yêu cầu trong gia công cao tốc thƣờng là khoảng 0.004 W/rpm
(0.005 Hp/rpm), trong khi trong gia công thông thƣờng, năng lƣợng đó nằm trong khoảng
từ 0.2 đến 0.4 W/rpm (0.25 đến 0.5 Hp/rpm).
Một số định nghĩa khác của gia công cao tốc đƣợc đƣa ra để đáp ứng với nhiều loại
vật liệu phôi và vật liệu dao sử dụng khi gia công.
Một định nghĩa phổ biến về gia công cao tốc là sử dụng tỉ lệ D.n - đƣờng kính trong
của ổ đỡ (mm) nhân với tốc độ trục chính cao nhất (vòng/phút). Trong gia công cao tốc, tỉ

lệ D.n thông thƣờng là khoảng 500.000 đến 1.000.000. Định nghĩa này cho phép các ổ trục
chính có đƣờng kính lớn hơn nằm trong loại gia công cao tốc cho dù nó hoạt động với tốc
độ quay thấp hơn các ổ đỡ bé. Tốc độ thông thƣờng của trục chính cao tốc là khoảng 8.000
đến 35.000 vòng/phút, mặc dù có một số trục chính ngày nay đƣợc thiết kế để quay với vận
tốc 100.000 vòng/phút.
Một định nghĩa khác về gia công cao tốc là dựa vào tỉ lệ của công suất với tốc độ
nhanh nhất của trục chính hp/rpm. Với máy công cụ thông thƣờng, thƣờng có tỉ lệ Hp/rpm
lớn hơn máy dụng cụ cắt cao tốc. Theo tiêu chuẩn này, ranh giới phân cách giữa gia công
thông thƣờng và gia công cao tốc là khoảng 0.005 hp/rpm. Do vậy, gia công cao tốc bao
gồm các trục chính công suất từ 50hp có thể quay ở 10.000 vòng/phút (0.005 hp/rpm) và
trục chính công suất 15hp có thể đạt tới 30.000 vòng phút (0.0005 hp/rpm).
Các định nghĩa khác nữa thƣờng tập trung vào năng suất và thời gian gia công ngắn
hơn. Trong trƣờng hợp đó, những yếu tố không cắt cũng tham gia vào. Đó là tốc độ dịch
chuyển nhanh và tốc độ tự động thay đổi dụng cụ (khoảng < 7s để thay từ dao này sang
dao khác).
Gia công cao tốc thƣờng đƣợc áp dụng để gia công tinh thép đã tôi cứng với tốc độ cắt
và lƣợng chạy dao cao gấp 4-6 lần chế độ cắt áp dụng trong gia công truyền thống... Tuy
nhiên, về bản chất gia công cao tốc không đơn giản là gia công với tốc độ cắt cao mà nên
đƣợc xem nhƣ là một quá trình gia công với những phƣơng pháp và thiết bị đặc biệt.

Hình 1.2. Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công [30]

-5-


Vào năm 1931 Carl Salomon đƣa ra giả thuyết rằng ở một tốc độ cắt nhất định
(khoảng gấp 5 đến 10 lần so với gia công thông thƣờng), nhiệt độ ở vùng tiếp giáp của
dụng cụ với phoi bắt đầu giảm...
Đến năm 1958 trong hợp đồng nghiên cứu của Tập đoàn Lockheed với Không lực
Hoa Kỳ, nhóm nghiên cứu của Vaughn đã tiếp tục hƣớng nghiên cứu của Salomon. Nhóm

của ông đã dùng một khẩu pháo cũ có gắn dao cắt ở đầu nòng để cắt chi tiết gia công là
đầu đạn với tốc độ đầu nòng tới 152.400m/ph.
Trên thực tế, có thể nhận thấy rằng gia công cao tốc không chỉ đơn thuần là cắt với
vận tốc cao. Nó là quá trình mà gia công đƣợc thực hiện với những phƣơng pháp và thiết bị
đặc biệt (máy CNC cao tốc). Gia công cao tốc không chỉ là gia công với tốc độ trục chính
cao vì có rất nhiều nguyên công vẫn đƣợc tiến hành với tốc độ trục chính thông thƣờng
(trong nhiều thực nghiệm ngƣời ta chỉ thực hiện ở tốc độ trục chính cao nhất khoảng
3200v/ph).
Vào năm 1977, lần đầu tiên tốc độ cắt cho máy phay có tốc độ lên tới 1.980 m/phút.
Các khảo sát cũng cho thấy chất lƣợng bề mặt đƣợc cải thiện, tăng đáng kể với việc tăng
tốc độ cắt. Một kết quả quan trọng của các khảo sát này là ở tốc độ cao cắt nhiệt sinh ra
trong quá trình gia công phần lớn sẽ truyền vào phoi. Năm 1979, Không quân Mỹ bắt đầu
một chƣơng trình nghiên cứu toàn diện sự hợp tác với General Electric để điều tra cơ bản
có hiệu lực mối quan hệ và kiểm tra các cơ hội tích hợp tốc độ cao vào công nghiệp gia
công ứng dụng. Nó đã đƣợc tìm thấy rằng cắt tối ƣu phạm vi tốc độ trong các hợp kim
nhôm gia công khoảng 1.500 và 4.500 m/phút.
Gia công cao tốc thƣờng đƣợc sử dụng để gia công tinh thép cứng với cả tốc độ và
lƣợng chạy dao cao. Gia công cao tốc có đƣợc hiệu quả cả về năng suất, chất lƣợng khi gia
công các chi tiết từ thô đến tinh cũng nhƣ siêu tinh. Chính vì vậy phƣơng pháp này thích
hợp với công nghệ gia công khuôn.

1.2. Đặc điểm phay cao tốc
Phay cao tốc nâng cao khả năng cắt vật liệu, chất lƣợng bề mặt và độ bền của dụng cụ
cắt nhờ việc tăng tốc độ cắt, giảm tiết diện phoi cũng nhƣ lực ma sát. Ở vận tốc cắt thƣờng,
khi tăng tốc độ cắt lực cắt cũng tăng theo. Tuy nhiên, khi tốc độ vƣợt quá một giới hạn
nhất định, các lực cắt bắt đầu giảm [53]. Nguyên nhân là do các lực cắt chịu tác động đồng
thời của cả hai yếu tố nhiệt độ và biến dạng, kết quả cuối cùng do ảnh hƣởng tổng hợp của
biến dạng, độ đàn hồi của vật liệu.
Nhờ phay cao tốc lực cắt nhỏ so với phƣơng pháp truyền thống mà khi gia công thành
mỏng không bị uốn cong, tạo độ chính xác hình dáng cao, giảm việc tạo ba via và ít gây hƣ

hại bề mặt gia công.

Hình 1.3. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt

Trong quá trình phay cao tốc, thì nhiệt cắt sinh ra chủ yếu truyền vào phoi, một phần
nhỏ truyền vào dao và truyền vào chi tiết gia công. Nhiệt cắt sẽ tăng khi vận tốc cắt tăng và

-6-


nó sẽ không giảm khi vận tốc cắt tiếp tục tăng nhƣ dự đoán nổi tiếng của Salomon (1.5a).
Ông J.F.Mc Gee đã chỉ ra một ví dụ khi cắt nhôm là: Nhiệt cắt nhôm sẽ tăng khi ta tăng
vận tốc cắt cho đến khi tới nhiệt độ nóng chảy của nhôm (hình 1.5b).
Phoi kéo dài
Dao
cắt

Vùng thứ 2

Vùng thứ 3
Vùng thứ 1

Phôi

Hình 1.4. Các vùng nhiệt cắt khác trong quá trình cắt vuông góc.

Nhiệt độ (0C)

(a) Đƣờng cong của Salomon

Tốc độ cắt (m/p)
(b) Đƣờng cong của McGee

Nhiệt độ cắt (0K)

Khoảng nóng chảy của Al

Tốc độ cắt (r/p)

Hình 1.5. Đường cong về nhiệt của Salomon và Mc Gee.

-7-


Nhiệt độ lớn nhất trên mũi dao

Nhiệt độ lớn nhất tại mũi dao (0C)

Hình 1.6. Nhiệt cắt của chi tiết và dao tại v =600 m/phút, Sz=0,25mm/răng

Tốc độ cắt V(m/p)
Hình 1.7. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ƣu điểm nổi bật. Nó có thể
làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công, tùy trƣờng hợp
[45].
Độ ổn định trong quá trình gia công cao tốc đƣợc quy đinh về độ mềm dẻo động lực
học của máy. Độ mềm dẻo không phải là hằng số mà là đại lƣợng phụ thuộc vào nhiều yếu
tố khác nhau; ảnh hƣởng của móng máy và điều kiện lắp đặt; ảnh hƣởng của mối lắp ghép
của các bộ phận máy; ảnh hƣởng của nhiệt độ làm việc của máy.

Sự bất lợi của phay cao tốc là sự mòn dụng cụ cắt quá mức, phải sử dụng các máy
phay đặc biệt rất đắt tiền với những trục chính và những bộ điều khiển cao cấp, đồ gá, sự
cân bằng giá đỡ dụng cụ và cuối cùng là yêu cầu vật liệu lớp phủ cao cấp của dụng cụ cắt.
Một số nhƣợc điểm khác của gia công cao tốc:
- Cần có quy trình gia công đặc biệt, lập trình phức tạp.
- Dễ mòn các chi tiết dẫn hƣớng, vít me đai ốc, ổ trục chính, dẫn đến chi phí bảo trì cao.

-8-


- Yêu cầu ngƣời điều khiển phải có kiến thức về HSM.
- Đặc biệt chú ý đến vấn đề an toàn trong gia công (thƣờng đƣợc bố trí kính cƣờng lực
để che chắn, bảo vệ).

1.3. So sánh phay cao tốc với phay truyền thống
Gia công cao tốc vật liệu cứng có những khác biệt đáng kể so với các phƣơng pháp
gia công truyền thống vật liệu mềm. Bởi vì vật liệu trong gia công cao tốc có độ cứng cao
hơn nên lực cắt sinh ra khi gia công cao tốc cũng lớn hơn, vì thế lƣợng ăn dao khi gia công
cao tốc phải đƣợc giới hạn.
Gia công thông thƣờng bị giới hạn bởi độ cứng của vật liệu. Trong khi đó dải vật liệu
đƣợc gia công bằng gia công cao tốc không hạn chế, ngay cả đối với thép rèn đã tôi, thép
gió và hợp kim cứng bề mặt stellites. Việc hợp kim stellites có thể đƣợc gia công bằng
phay cao tốc đã mở rộng khả năng của phay cao tốc kể cả công việc sửa chữa.
Hình 1.8 so sánh khả năng bóc vật liệu, độ nhám bề mặt gia công và thời gian đánh
bóng của phƣơng pháp phay truyền thống và phay cao tốc.
Nhiệt sinh ra trong vùng cắt gọt khi gia công cao tốc khá lớn, có thể lên đến khoảng
0
930 C nên khi gia công cao tốc mà không dùng dung dịch trơn nguội thì bề mặt đã gia
công có thể bị hƣ hại do nhiệt. Cấu trúc vi mô của lớp bề mặt bị thay đổi và tồn tại ứng
suất dƣ trên lớp bề mặt.

Gia công tốc độ cao có nhiều ƣu điểm so với gia công truyền thống, một vài ƣu điểm
đó là kết quả trực tiếp của cách bóc vật liệu khi gia công tốc độ cao.

Hình 1.8. So sánh khả năng bóc tách vật liệu phay truyền thống và phay cao tốc [41]

Ƣu điểm đáng kể nhất của gia công tốc độ cao là có thể dùng cùng một dụng cụ mà
vẫn gia công đƣợc nhiều chi tiết có hình dáng khác nhau bằng cách thay đổi đƣờng chạy
dao. Ngoài những ƣu điểm đã nêu ở các phần trên, việc áp dụng công nghệ gia công tốc độ
cao để gia công lần cuối các chi tiết còn mang lại những lợi ích sau:
- Giảm thời gian chu kì gia công một sản phẩm.
- Giảm chi phí đầu tƣ thiết bị.
- Tăng độ chính xác.
- Đạt độ bóng bề mặt cao.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 – 4 lần), nâng cao năng suất gia công.

1.4. Ứng dụng của gia công cao tốc
Rất nhiều những nghiên cứu và cải tiến đƣợc tiến hành trong lĩnh vực gia công cao tốc
(Tiện, phay, khoan và doa) hợp kim nhôm, hợp kim titan, thép, siêu hợp kim. Rất nhiều dữ
liệu đã đƣợc thu thập về hiệu quả của cắt cao tốc trên: Loại phôi đƣợc sản suất; Lực cắt và

-9-


công suất; Nhiệt cắt; Mòn dụng cụ; Độ bóng bề mặt; Tính toán kinh tế của quá trình.
Những nghiên cứu này chỉ ra rằng gia công cao tốc có thể kinh tế hơn trong một số
ứng dụng. Gia công cao tốc với 3 đến 5 trục điều khiển biên dạng phức tạp chỉ có thể đƣợc
thực hiện gần đây nhờ những phát triển của công nghệ điều khiển CNC.
Một nhân tố quan trọng trong việc áp dụng công nghệ gia công cao tốc là sự mong
muốn có đƣợc cải tiến về dung sai trong gia công cắt gọt. Với gia công cao tốc, hầu hết
nhiệt sản sinh đều đƣợc giảm thiểu và tập trung vào phoi, vì vậy công cụ và quan trọng hơn

là chi tiết gia công giữ đƣợc nhiệt độ gần với nhiệt độ môi trƣờng xung quanh nên ít làm
biến dạng chi tiết trong quá trình gia công.
Những ứng dụng của gia công cao tốc đƣợc chia thành 3 nhóm sau:
- Một là trong ngành công nghiệp hàng không bởi những công ty lớn nhƣ Boeing, nơi mà
những cấu trúc bộ khung máy bay đƣợc gia công bằng những tảng nhôm lớn.
- Nhóm thứ hai bao gồm việc gia công nhôm bằng cách tập trung nguyên công (nguyên
công nhiều bƣớc) để sản xuất ra những linh kiện cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau
ví dụ nhƣ: động cơ, máy tính và y tế. Tập trung nguyên công nghĩa là các dụng cụ đƣợc
thay đổi thƣờng xuyên cũng nhƣ sự thay đổi về tốc độ của dụng cụ cắt trong quá trình gia
công. Do vậy sự thay đổi nhanh dụng cụ và kiểm soát đƣờng dẫn dao là rất quan trọng ở
những nguyên công này.
- Nhóm ứng dụng thứ 3 cho gia công cao tốc là cho ngành công nghiệp khuôn, chế tạo chi
tiết máy độ chính xác cao, ngành yêu cầu chi tiết khá phức tạp từ những nguyên liệu cứng.
Trong trƣờng hợp này, gia công cao tốc bao gồm rất nhiều việc: bóc kim loại nhanh và gia
công tinh để đạt đƣợc độ chính xác và độ bóng của bề mặt.
Rất nhiều nghiên cứu đã đƣợc tiến hành về phay cao tốc hợp kim nhôm, titan thép và
siêu hợp kim. Những nghiên cứu đã chỉ ra rằng phay cao tốc có tính kinh tế trong một số
trƣờng hợp và nó đang đƣợc áp dụng cho việc gia công tuabin máy bay và động cơ xe ô tô
với năng suất gấp 5 đến 10 lần gia công thông thƣờng.

Hình 1.9. Nhám bề mặt khi cắt bằng dao phay
ngón đầu cầu

Hình 1.10. Khuôn đúc pha đèn trước

Khả năng của quá trình gia công cao tốc đối với các loại vật liệu, dao trong quá trình
tiện cũng nhƣ các phƣơng pháp khác đã đƣợc trình bày trong bảng 1.1. Các giá trị này rất
quan trọng đối với tính hiệu quả của quá trình gia công. Có những sự khác biệt lớn về năng
suất gia công giữa những quá trình này. Sự khác nhau đó không chỉ là do những thuộc tính
vốn có của những quá trình gia công và dụng cụ gia công mà còn phụ thuộc vào những yếu

tố khác nhƣ: thời gian gá đặt, loại và kích cỡ của chi tiết gia công. Việc lựa chọn chính xác
phƣơng pháp và máy gia công là rất quan trọng cho việc giảm thiểu tối đa chi phí sản xuất.
Sau đây là những tính năng đặc biệt của gia công cao tốc:
Độ nhám của bề mặt gia công đƣợc quyết định phần lớn bằng độ cao của đỉnh giữa 2
đƣờng chuyển dao liền kề với dao cầu. Chọn bƣớc tiến nhỏ thì chiều cao nhấp nhô sẽ giảm.
Bằng cách này, giảm chiều sâu cắt có thể giúp giảm thiểu đáng kể thời gian đánh bóng
hình 1.9.

-10-


Hình 1.11. Điện cực đồng để gia công EDM

Hình 1.12. Khuôn dập

Độ bóng bề mặt của gƣơng phản xạ trên đèn đã đƣợc phay trên vật liệu đã tôi ở độ sâu
cắt và bƣớc tiến dao là: 0.1mm và 0.05mm hƣớng. Quá trình gia công tinh này đƣợc cắt ở
22.000 vòng/phút. Độ bóng ngoài ra còn bị ảnh hƣởng bởi kỹ thuật gia công. Để quá trình
gia công tinh tốt nhất, quá trình phay phải tuân theo những rãnh phay song song và đồng
hƣớng hình 1.11.

Hình 1.13. Các kiểu khuôn để gia công cao tốc

Hình 1.14. Điện cực EDM có thành mỏng

Gia công tinh có thể giúp cho phay trở thành một phƣơng án thay thế cho EDM để
làm khuôn từ những vật liệu cứng nhất (50 HRC). Gia công cao tốc cho phép các nhà cung
cấp có thế chể tạo khuôn nhƣ hình minh họa chỉ bằng một lần gá đặt ở trung tâm gia công
nơi mà việc kết hợp giữa phay và EDM là cần thiết. Gia công tinh có thể sản xuất khuôn
nhanh hơn và cũng chính xác hơn bởi nó yêu cầu ít bƣớc tiến hành hơn dẫn đến việc ít rủi

ro hơn. Sai số chấp nhận đƣợc sẽ giảm xuồng từ 0.005 còn 0.001mm hình 1.13.
Điện cực với thành mỏng, gân cũng nhƣ các thành phần liên quan khác có thể đƣợc gia
công bằng một cục phôi trong gia công cao tốc bởi những nguyên công với lực cắt rất nhỏ,
đảm bảo chi tiết không bị biến dạng và đạt độ chính xác cao.
Đây là chi tiết ở bộ phận hạ cánh của máy bay vận tải Cargo C-17 để nối phần kết cấu
chính với phần vỏ hình 1.16. Gia công cao tốc cho phép nó có thể đƣợc gia công toàn bộ
bằng một dụng cụ cắt. Tổng thời gian gia công là vào khoảng 12 tiếng. Gia công với các
phôi đúc có thể giảm thời gian gia công xuống còn một nửa. Thay đổi thiết kế của vật đúc
cũng yêu cầu các dụng cụ cũng phải thay đổi. Đối với chi tiết gia công, rất nhiều thay đổi
chỉ cần thực hiện trên việc lập trình.
Gia công cao tốc cho phép loại bỏ quá trình đúc phôi, việc gia công ở bên trong cho
những chi tiết làm bằng nhôm nhƣ hình 1.15 có thể thực hiện trực tiếp từ một khối phôi
đặc.
Muốn có tốc độ cao đồng nghĩa với việc sẽ có sự bù trừ giữa lực cắt và tốc độ cắt.

-11-


Hình 1.15. Bộ phân phối nhiên liệu
bằng nhôm

Hình 1.16. Chi tiết ở bộ phận hạ cánh của máy
bay vận tải Boeing Cargo C-17

Trƣớc hết, với kích cỡ hạn chế của mô tơ, trục chính cao tốc thƣờng có mô tơ quay
trực tiếp, nghĩa là mô tơ phải nằm vừa trong lòng trục chính. Một hạn chế khác nữa là ổ đỡ.
Để tăng khả năng chịu đựng của trục chính cao tốc mà vẫn giữ đƣợc tốc độ quay thì độ
cứng vững phải bị giảm đi. Đây cũng là một trong những lý do khiến cho gia công cao tốc
thƣờng áp dụng những đƣờng cắt nhẹ.
Một xu hƣớng bất biến trong lịch sử của gia công kim loại là việc sử dụng tốc độ ngày

càng cao. Trong những năm gần đây, xu hƣớng đó có một chút thay đổi do nhu cầu về:
- Năng suất gia công cao hơn
- Thời gian gia công giảm đi
- Chi phí giảm
- Và chất lƣợng sản phẩm tăng lên.
Giảm bớt trọng lƣợng của một số chi tiết bằng cách gia công nó với thành mỏng hơn
không phải là một ý tƣởng mới mẻ. Tuy nhiên thành mỏng hơn cũng yêu cầu những đƣờng
cắt nhẹ hơn và nó quá mất thời gian với tốc độ cắt chậm. Gia công cao tốc thay đổi công
thức bằng cách kết hợp những đƣờng cắt nhẹ với tốc độ ăn dao cao. Gia công cao tốc cho
phép gia công thành mỏng với một năng suất bóc tách kim loại cao hơn.

1.5. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Nghiên cứu của các tác giả nước ngoài
Tác giả Omar E.E.K.M.H. Omar đã nghiên cứu xác định và đánh giá hệ số lực cắt, lực
cắt trong quá trình phay cao tốc. Trên cơ sở đó tác giả đã thực nghiệm đánh giá xác định
tần số riêng của dụng cụ cắt, đồ gá trong hệ thống gia công và ảnh hƣởng của độ đảo dụng
cụ cắt đến rung động.
Yueqi Guan và nhóm nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp toán học dựa trên lý thuyết
tính toán lực cắt và các nguyên tắc gia công để mô tả mô hình lực cắt 3D khi phay cao tốc
trong trƣờng hợp phay phẳng, tác giả tính toán độ dày phoi tức thời đƣợc xác định theo
hƣớng răng và xây dựng mô hình tính toán các lực cắt đƣợc xây dựng theo phƣơng pháp
tích phân.
Ahmet Cekic và các đồng nghiệp đã nghiên cứu về tác động của các thông số cắt đến
các lực cắt trong quá trình phay cao tốc khi phay phẳng trên thép hợp kim EN 10.083-3
(41Cr4) và nhóm đã đƣa ra kết luận khi tăng tốc độ cắt thì lực cắt FR giảm. Ngoài ra nhóm
tác giả còn chỉ ra lƣợng chạy dao răng có ảnh hƣởng đáng kể đến các giá trị của lực cắt.
Soichi Ibaraki và các đồng nghiệp nghiên cứu để so sánh hiệu quả của phay cao tốc,
hiệu quả của các chiến lƣợc gia công và điều kiện cắt hoặc cắt hiệu quả, sau đó điều kiện
gia công đƣợc lên kế hoạch một cách tối ƣu để tối ƣu hóa năng suất.
M.Boujelbene và các đồng nghiệp đã nghiên cứu tác động của các hƣớng dụng cụ và

tốc độ cắt hiệu quả đến chất lƣợng và kết cấu bề mặt trong phay nhiều trục. Nhóm nghiên
cứu đã chỉ ra nhƣợc điểm của gia công ba trục và tồn tại của gia công tốc độ cắt thấp.
Tác giả S.Zhang & J.F. Li & J.Sun & F. Jiang nghiên cứu, dự đoán mòn dụng cụ và

-12-