Nghiên cứu cơ sở lý thuyết gia công cao tốc HSM và ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi phay cao tốc thép cứng

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

----------***----------

DƯƠNG THANH ĐƯỜNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIA CÔNG CAO TỐC (HSM)
VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN
ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY CAO TỐC THÉP CỨNG.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
(Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy)

HÀ NỘI – NĂM 2011


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 4
T
9
2

29T

DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................... 5
T
9
2

29T

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... 6
T
9
2

T
9
2

PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 9
T
9
2

29T

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC HSM .................................. 11
T
9
2

T
9
2

1.1 Khái quát chung về công nghệ gia công cao tốc HSM ........................................ 11
T
9
2

T
9
2

1.2 Ưu điểm của gia công cao tốc .............................................................................. 12
T
9
2

T
9
2

1.3 Ứng dụng.............................................................................................................. 13
T
9
2

29T

1.4 Thiết bị dùng trong gia công cao tốc ................................................................... 14
T
9
2

T
9
2

1.4.1. Động cơ dẫn động trục chính: ....................................................................... 15
T
9
2

T
9
2

1.4.2. Trục chính và ổ đỡ trục chính........................................................................ 17
T
9
2

T
9
2

1.4.3. Hệ thống dẫn động bàn máy .......................................................................... 18
T
9
2

T
9
2

1.4.4 Bộ điều khiển CNC......................................................................................... 18
T
9

2

29T

1.4.5 Bàn máy và đồ gá........................................................................................... 19
T
9
2

29T

1.4.6 Hệ thống thân và đế máy ................................................................................ 20
T
9
2

T
9
2

1.4.7 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội ........................................................ 20
T
9
2

T
9
2

1.5 Máy gia công cao tốc thường dùng...................................................................... 21

T
9
2

T
9
2

1.6 Dụng cụ cắt .......................................................................................................... 24
T
9
2

29T

1.7 Cơ sở vật lý gia công cao tốc................................................................................ 29
T
9
2

T
9
2

1.7.1 Biến dạng vật liệu trong quá trình cắt ............................................................. 29
T
9
2

T

9
2

1.7.2 Biến dạng xảy ra trong quá trình cắt ............................................................... 29
T
9
2

T
9
2

1.7.2.1 Biến dạng chảy ban đầu bắt đầu từ vùng cắt sơ cấp đơn giản................... 29
29T

T
9
2

1.7.2.2 Đáp ứng của vật liệu diễn ra qua vùng cắt sơ cấp .................................... 32
29T

T
9
2

1.7.2.3 Đáp ứng của vật liệu dọc qua vùng cắt thứ cấp ........................................ 33
29T

T

9
2

1.8 Động học và động lực học HSM .......................................................................... 34
T
9
2

T
9
2

1.8.1 Luồng phoi...................................................................................................... 34
T
9
2

29T

1.8.1.1 Các dạng phoi hình thành ........................................................................ 34
29T

T
9
2

1.8.1.2 Ảnh hưởng của luồng phoi đến lực cắt...................................................... 36
29T

T

9
2

1.8.2 Xác định lực cắt của qúa trình phay ................................................................ 36
T
9
2

T
9
2

1.9 Kết luận ................................................................................................................ 38
T
9
2

29T

2.1 Khái niệm độ chính xác gia cơng......................................................................... 40
T
9
2

T
9
2

1

2.2 Tính chất của sai số gia cơng ............................................................................... 42
T
9
2

T
9
2

2.2.1 Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống cố định: ............................................ 43
T
9
2

T
9
2

2.2.2 Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống thay đổi (theo thời gian gia công)..... 43
T
9
2

T
9
2

2.2.3 Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên...................................................... 43
T

9
2

T
9
2

2.3 Các phương pháp đạt độ chính xác gia cơng ...................................................... 43
T
9
2

T
9
2

2.3.1 Phương pháp cắt thử từng chi tiết ................................................................... 43
T
9
2

T
9
2

2.3.2 Phương pháp tự động đạt kích thước............................................................... 44
T
9
2

T
9
2

2.3.3 Phương pháp đạt độ chính xác gia cơng bằng điều khiển thích nghi................ 46
T
9
2

T
9
2

2.4 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công .............................................................. 47
T
9
2

T
9
2

2.4.1 Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ ..................................................... 47
T
9
2

T
9
2

2.4.2 Ảnh hưởng do sai số của phơi ......................................................................... 47
T
9
2

T
9
2

2.4.3 Ảnh hưởng của độ chính xác của máy công cụ ................................................ 48
T
9
2

T
9
2

2.4.4 Ảnh hưởng của sai số của đồ gá ...................................................................... 48
T
9
2

T
9
2

2.4.5 Ảnh hưởng của sai số của dụng cụ cắt............................................................. 48
T

9
2

T
9
2

2.4.6 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của máy tới độ chính xác gia cơng ................. 49
T
9
2

T
9
2

2.4.7 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt tới độ chính xác gia cơng .... 49
T
9
2

T
9
2

2.4.8 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của chi tiết tới độ chính xác gia cơng ............. 49
T
9
2

T
9
2

2.4.9 Ảnh hưởng của rung động trong q trình cắt tới độ chính xác gia công......... 50
T
9
2

T
9
2

2.4.10 Ảnh hưởng của phương pháp gá đặt tới độ chính xác gia cơng...................... 51
T
9
2

T
9
2

2.4.11 Ảnh hưởng của dụng cụ đo và phương pháp đo tới độ chính xác gia công ..... 51
T
9
2

T
9
2

CHƯƠNG 3: ĐỘ NHÁM BỀ MẶT .............................................................................. 53
T
9
2

T
9
2

3.1 Khái niệm độ nhám bề mặt ................................................................................. 53
T
9
2

T
9
2

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt........................................................ 57
T
9
2

T
9
2

3.2.1 Ảnh hưởng của thơng số hình học của dụng cụ cắt .......................................... 58
T

9
2

T
9
2

3.2.3 Ảnh hưởng của lượng chạy dao ....................................................................... 61
T
9
2

T
9
2

3.2.4 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt........................................................................... 62
T
9
2

T
9
2

3.2.5 Ảnh hưởng của vật liệu gia công ..................................................................... 62
T
9
2

T
9
2

3.2.6 Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến độ nhám bề mặt ........... 63
T
9
2

T
9
2

3.2.7 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến độ nhám bề mặt .............................. 63
T
9
2

T
9
2

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM, NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ................................ 64
T
9
2

T
9
2

CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI ................................................. 64
T
9
2

T
9
2

PHAY CAO TỐC THÉP CỨNG .................................................................................. 64
T
9
2

T
9
2

2


4.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm .......................................................................... 64
T
9
2

T
9
2

4.1.1 Mơ hình thí nghiệm ......................................................................................... 64
T
9
2

29T

4.1.2 Thơng số đầu vào của thí nghiệm .................................................................... 65
T
9
2

T
9
2

4.1.2.1 Máy dùng để gia cơng .............................................................................. 65
29T

T
9
2

4.1.2.2 Dụng cụ cắt .............................................................................................. 66
29T

29T

4.1.2.3 Phơi dùng trong thí nghiệm ...................................................................... 67

29T

T
9
2

4.1.2.4 Phương pháp phay ................................................................................... 67
29T

T
9
2

4.1.2.5 Thiết bị đo độ nhám bề mặt chi tiết sau khi gia cơng ................................ 69
29T

T
9
2

4.2 Các thơng số thí nghiệm ...................................................................................... 70
T
9
2

29T

4.3 Mơ hình tốn học xác định độ nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt ............. 72
T
9

2

T
9
2

4.4 Thực hiện các thí nghiệm và thu thập số liệu ..................................................... 74
T
9
2

T
9
2

4.5 Tính các hệ số của phương trình hồi quy............................................................ 74
T
9
2

T
9
2

4.6 Kiểm định các tham số a i .................................................................................... 75
T
9
2

R

R2
T
9

4.7 Kiểm định sự phù hợp của mơ hình .................................................................... 76
T
9
2

T
9
2

4.8 Xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ .............................................................. 78
T
9
2

T
9
2

4.8.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ra với V và S khi t = 0,1 (mm) ................ 78
T
9
2

T
9

2

4.8.2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ra với V và t khi S = 0,05 (mm/vòng) ..... 78
T
9
2

T
9
2

4.8.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ra với S và t khi V = 200 (m/phút) ......... 79
T
9
2

T
9
2

4.9 Kết luận ................................................................................................................ 80
T
9
2

29T

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI ...................... 81
T
9

2

T
9
2

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 83
T
9
2

29T

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 84
T
9
2

29T

3


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi.
Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được
cơng bố ở bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào.
Tác giả

Dương Thanh Đường

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
NỘI DUNG

STT
1
2
3

Bảng 1.1: So sánh thông số kỹ thuật của một số máy gia công cao tốc
trục thẳng đứng của một số hãng nổi tiếng
Bảng 3.1: Cấp độ nhám và các giá trị l tương ứng
Bảng 4.1: Các thông số cơ bản của máy phay cao tốc Akira Seiki
SV760

4

Bảng 4.2: Bảng tính tốn

5

Bảng 4.3: Bảng quy hoạch thực nghiệm khi phay

6

Bảng 4.4: Bảng quy hoạch thực nghiệm khi phay và kết quả đo độ
nhám chi tiết

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TÊN HÌNH, BIỂU ĐỒ

STT
1

Hình 1.1: Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu.

2

Hình 1.2: Sản phẩm được gia cơng bằng phương pháp gia cơng cao tốc

3

Hình 1.3: Máy phay cao tốc Quantum AS với tốc độ trục chính là 12.000
vg/ph, tốc độ chạy dao nhanh lên đến 30m/ph

4

Hình 1.4: Kết cấu máy gia cơng cao tốc

5

Hình 1.5: Các loại truyền động trục chính

6

Hình 1.6: Ổ lai với bi làm bằng cearamic.

7

Hình 1.7: Trục chính của HSM

8

Hình 1.8: Vít me – đai ốc bi

9

Hình 1.9: Bàn xoay trên máy CNC

10

Hình 1.10: Trung tâm phay cao tốc Makino A55 Delta

11

Hình 1.11: Máy phay cao tốc hãng Akira seiki SV760

12

Hình 1.12: Máy phay cao tốc của hãng Datron

13

Hình 1.13: Các thơng số dụng cụ của dao phay ngón

14

Hình 1.14: Một số loại dao phay ngón thường dùng trong gia cơng bề mặt
3D

15

Hình 1.15: Mảnh hợp kim có CBN ở mũi và mảnh CBN ngun khối

16

Hình 1.16: Dụng cụ có lớp phủ TiCN

17

Hình 1.17: Vùng cắt sơ cấp và thứ cấp được đơn giản

18

Hình 1.18: Ứng suất chảy dẻo ở các nhiệt độ khác nhau ở vùng sơ cấp

19

Hình 1.19: Nhiệt độ tính tốn trong vùng cắt sơ cấp

20

Hình 1.20: Các dạng phoi hình thành khi gia cơng thép tơi
Hình 1.21: Luồng phoi dự đoán ở một tốc độ cắt V c = 200m/ph và tốc độ

R

21

ăn dao f z = 0,155 mm/răng
R

R

6

R


22

Hình 1.22: Mơ hình xác định lực cắt khi phay

23

Hình 2.1: Mối quan hệ giữa độ chính xác gia cơng và giá thành sản phẩm

24

Hình 2.2: Quan hệ giữa giá thành gia cơng C và độ chính xác (sai số δ)

25

Hình 2.3: Gia cơng chi tiết theo phương pháp tự động đạt kích thước
1 – ê tơ; 2 – chi tiết gia cơng; 3 – dao phay

26

Hình 3.1: Độ nhám bề mặt

27

Hình 3.2: Đường cong của phần vật liệu

28

29

30

Hình 3.3: Ảnh hưởng của thơng số hình học của dao tiện tới độ nhám bề
mặt
Hình 3.4: Ảnh hưởng của tốc độ cắt (V) tới độ nhám bề mặt khi gia cơng
thép
Hình 3.5: Ảnh hưởng của lượng chạy dao S tới chiều cao nhấp nhơ tế vi
Rz

31

Hình 4.1 : Máy phay cao tốc hãng Akira seiki SV760

32

Hình 4.2 : Dao phay ngón hợp kim 4 me OSG

33

Hình 4.3 : Mẫu thực nghiệm thép C45 qua nhiệt luyện

34

Hình 4.4 : Bản vẽ chi tiết gia cơng

35

Hình 4.5 : Sơ đồ định vị và kẹp chặt chi tiết

36

Hình 4.6 : Hình ảnh chi tiết đang được gia cơng trên máy Akira seiki
SV760

37

Hình 4.7 : Máy đo Mitutoyo SJ – 201P

38

Hình 4.8: Đầu đo thực hiện khi đo độ nhám bề mặt chi tiết

39

Hình 4.9: Đồ thị quan hệ Ra - V – S khi gia công thép qua nhiệt luyện

7

40

Hình 4.10: Đồ thị quan hệ Ra - V – t khi gia cơng thép qua nhiệt luyện

41

Hình 4.11: Đồ thị quan hệ Ra - t –S khi gia công thép qua nhiệt luyện

8


PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển theo xu hướng hội
nhập quốc tế. Bên cạnh các ngành nghề trong nền kinh tế quốc dân thì ngành cơ khí
đặc biệt là cơ khí chế tạo máy vẫn khẳng định được thế mạnh của mình. Nó được
thể hiện ở việc khơng ngừng cải tiến các công nghệ cũng như các phương pháp gia
công với mục đích tạo ra những sản phẩm có chất lượng, độ tin cậy.
Từ nhu cầu cuộc sống ngày càng cao, đòi hỏi các sản phẩm phải ln có sự
cạnh tranh. Chính điều này đã luôn thúc đẩy khoa học kỹ thuật phải khơng ngừng
phát triển tạo ra những sản phẩm có sức cạnh tranh cao. Để làm ra các sản phẩm cơ
khí có độ phức tạp cũng như độ chính xác cao bằng các máy công cụ truyền thống
thông thường là rất khó có thể thực hiện được. Bên cạnh sự phát triển của các ngành
khoa học kỹ thuật hiện đại như: Công nghệ hàng không, chế tạo ô tô, chế tạo khn
mẫu… thì xuất hiện ngày càng nhiều các chi tiết địi hỏi độ chính xác cao. Việc ứng
dụng các kỹ thuật và công nghệ mới như máy công cụ gia công cao tốc CNC, công
nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp cho việc gia cơng các chi tiết có hình dáng phức tạp
được dễ dàng hơn, đạt độ chính xác cao hơn. Cùng với đó con người ngày càng
hồn thiện các kỹ thuật, cơng nghệ tiên tiến. Với mục đích góp phần nâng cao độ

chính xác và năng suất gia cơng các chi tiết có hình dáng phức tạp, việc tiếp cận các
phương pháp gia công hiện đại luôn là nhu cầu cấp thiết trong nền kinh tế thị
trường. Một trong những phương pháp gia cơng đó là phương pháp gia công cao tốc
(High Speed Machining - HSM). Đây là công nghệ gia công hiện đại hơn hẳn các
dạng gia công thông thường và rất hiệu quả trong cắt gọt kim loại. Những lợi thế
của gia công cao tốc là: đạt được năng suất gia công, tiết kiệm thời gian gia công và
kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt.
Thực tế, công nghệ gia công cao tốc không phải là mới mà nó đã được thực
hiện cách đây hơn 30 năm. Tuy nhiên, gần đây với sự phát triển vượt bậc của ngành
công nghệ chế tạo máy với những công nghệ liên quan như: máy tính, dao cắt, máy
cơng cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM,… thì gia cơng cao tốc ngày càng

9


được quan tâm hơn. Điển hình cho việc ứng dụng công nghệ gia công cao tốc trong
một số lĩnh vực công nghiệp như:
- Công nghiệp gia công nhôm: Để sản xuất ra các bộ phận của ô tô, các chi
tiết nhỏ trong máy tính hay các thiết bị y tế.
- Công nghiệp hàng không: Để gia công các chi tiết làm bằng nhôm với
thành mỏng.
- Công nghiệp khuôn mẫu: Để gia cơng tinh với độ chính xác cao cho các chi
tiết làm bằng vật liệu cứng như khuôn dập, khuôn rèn hay khn nhựa.
Như vậy có thể thấy, gia cơng cao tốc là một bước tiến lớn của ngành cắt gọt
kim loại. Mặc dù đây không phải là công nghệ cịn mới mẻ, nhưng những ứng dụng
của nó tại Việt Nam cịn rất hạn chế. Nhằm tìm hiểu và nghiên cứu phương pháp gia
công mới này cũng như một số ứng dụng cho công nghệ chế tạo khuôn mẫu, trong
nội dung luận văn cao học của mình tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu cơ sở lý thuyết
gia công cao tốc (HSM) và ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến độ
nhám bề mặt khi phay cao tốc thép cứng”.

Phạm vi nghiên cứu: Nội dung đề tài nghiên cứu cơ sở lý thuyết gia công
cao tốc và ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế độ cắt (V, S, t) tới độ nhám
bề mặt chi tiết máy (Ra) khi gia công cao tốc trên máy phay CNC được thực hiện
với vật liệu là thép qua nhiệt luyện có độ cứng đạt khoảng từ 40 – 45 HRC.
Phương pháp nghiên cứu: Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên
cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết gia công cao tốc.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC HSM
1.1 Khái quát chung về công nghệ gia công cao tốc HSM
Sự phát triển khơng ngừng của ngành cơ khí, trong đó phải kể đến sự cải tiến
vượt bậc của hệ thống các máy công cụ và hệ điều khiển luôn đảm bảo chất lượng
cũng như năng suất của sản phẩm. Đây chính là điều kiện để các phương pháp gia
cơng cắt gọt hiện đại ra đời. Một trong những phương pháp đó là phương pháp gia
cơng cao tốc (High Speed Machining - HSM). Hiện nay, công nghệ gia công cao tốc
có thể được xem là một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy. Mặc dù
gia cơng cao tốc khơng cịn phải là một cơng nghệ mới mẻ, nó đã được biết đến
cách đây hơn 30 năm. Tuy nhiên, gần đây với sự phát triển hết sức mạnh mẽ của
ngành chế tạo máy đặc biệt với những công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt,
máy cơng cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM… thì gia cơng cao tốc ngày càng
được chú trọng hơn trong việc chế tạo các sản phẩm. Ở đây, các ứng dụng chủ yếu
để thúc đẩy công nghệ theo hướng gia công cao tốc là: chế tạo khuôn mẫu, chế tạo
các chi tiết ngành ô tô và ngành hàng không.
Theo cách hiểu thông thường thì gia cơng cao tốc (High Speed Machining
HSM) là gia cơng với tốc độ trục chính rất cao nhưng tốc độ chạy dao thấp. Tuy

nhiên rất khó để nêu nên một định nghĩa chung về gia công cao tốc. Tốc độ gia cơng
thì rất cụ thể cho từng ứng dụng. Chẳng hạn khi tốc độ gia công cao tốc khi gia
công thép vào khoảng 800m/ph nhưng giá trị này vẫn chưa phải là giá trị tốc độ gia
công cao tốc khi gia công gang. Như vậy gia công cao tốc khơng đơn giản là cắt với
tốc độ cao. Nó được xem như là một q trình gia cơng mà ở đó các bước gia cơng
được thực hiện bằng những phương pháp và thiết bị gia công cụ thể. Để định nghĩa
được gia công cao tốc cần dựa vào các yếu tố như: tốc độ cắt cao, tốc độ quay của
trục chính cao, lượng chạy dao và năng suất cao. Cũng có thể nói rằng gia cơng cao
tốc nghĩa là cắt gọt vật liệu nhanh hơn bình thường cho những công đoạn cụ thể.

11


Ngồi ra, các yếu tơ khác như: Chế độ gia cơng, vật liệu dao cắt cũng có ảnh
hưởng rất lớn đến q trình gia cơng tốc độ cao. Dải tốc độ cắt trong gia công cao
tốc cho một số loại vật liệu khác nhau được thể hiện như ở hình dưới đây:

Hình 1.1: Vùng tốc độ gia cơng cao tốc một số loại vật liệu.
1.2 Ưu điểm của gia công cao tốc
Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, so với phương pháp gia cơng truyền thống thì
gia cơng cao tốc có nhiều ưu điểm nổi bật. Trong từng trường hợp cụ thể nó có thể
làm giảm thời gian gia cơng đến 90% và giảm đến 50% các chi phí gia cơng, được
thể hiện qua một số khía cạnh.
Gia cơng thơng thường bị giới hạn bởi độ cứng của vật liệu. Trong khi đó gia
cơng cao tốc có thể gia cơng được nhiều loại vật liệu với độ cứng không hạn chế
ngay cả đối với thép rèn đã tơi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt satellites. Việc hợp
kim satellites có thể gia cơng bằng gia cơng cao tốc đã mở rộng khả năng của gia
công cao tốc kể cả công việc sửa chữa.
Với việc sử dụng máy gia công cao tốc CNC sẽ mang lại hiệu quả kinh tế
cao, cụ thể:

+ Khi chi tiết có độ phức tạp cao, lựa chọn phương pháp gia công phù hợp
nhất là gia cơng trên máy gia cơng cao tốc CNC. Bởi vì gia công trên máy cao tốc
CNC rút ngắn thời gian gia cơng, đạt độ chính xác u cầu và giá thành rẻ hơn so
với khi gia công trên máy công cụ vạn năng và máy tự động cứng.

12


+ Khả năng thay đổi dạng sản phẩm chế tạo nhanh vì chỉ cần thay đổi
chương trình điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm đồ gá
chuyên dùng. Máy điều khiển số đáp ứng được tính linh hoạt của sản xuất.
+ Chi phí cho sản xuất dụng cụ cắt cho máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn
so với các dạng máy khác vì máy gia cơng cao tốc CNC được trang bị tính năng
đánh giá lượng mòn dụng cụ và tự động điều chỉnh máy để bù lượng mịn.
+ Máy gia cơng cao tốc CNC có tính năng tự động kiểm tra chất lượng chi
tiết ngay trong q trình gia cơng mà các máy gia cơng thơng thường khơng có khả
năng này. Do vậy giảm đáng kể chi phí cho việc kiểm tra chất lượng chi tiết gia
công.
+ Thời gian gia công chi tiết trên máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn so với
máy vạn năng do tập chung nguyên công cao.
+ Máy gia công cao tốc CNC không cần dùng các đồ gá chuyên dùng để gá
kẹp phôi, giảm thời gian gá kẹp chi tiết.
Ngồi ra cịn phải kể đến một số ưu điểm khi gia cơng cao tốc như:
• Tốc độ bóc vật liệu cao.
• Chất lượng bề mặt gia cơng tốt.
• Độ chính xác hình dáng cao.
• Có khả năng gia cơng được các gân mỏng.
• Giảm việc tạo các bavia.
• Không gây hư hại bề mặt gia công.
1.3 Ứng dụng

Phay cao tốc hợp kim nhôm nổi tiếng nhất và được ứng dụng rộng rãi trong
ngành công nghiệp hàng không vũ trụ trong những thập kỷ qua. Gần đây HSM còn
được ứng dụng trong việc gia công các vật liệu cứng, gia công sản xuất khuôn mẫu,
khuôn đúc. Vật liệu gia công cho cho phay cao tốc thường là gang, D2 (59 HRC),
thép P20 (30 HRC) và H13 (46 HRC)… Các gang hợp kim với mác GM đặc biệt là
GM241(ở độ cứng 210 HB) chủ yếu sử dụng cho sản xuất khn dập. Hình 1.2 là
hình ảnh của một sản phẩm được gia công bằng phương pháp gia công cao tốc:

13


Hình 1.2: Sản phẩm được gia cơng bằng phương pháp gia công cao tốc
1.4 Thiết bị dùng trong gia công cao tốc
Công nghệ gia công cao tốc luôn được phát triển liên tục và được ứng dụng
trong các ngành: Công nghệ ô tô, các bộ phận của máy bay, ngành công nghiệp điện
tử và trong sản xuất sản phẩm cơ khí. Nhờ sự phát triển của gia cơng cao tốc dẫn
đến sự phát triển của các máy cơng cụ có tốc độ cắt cao góp phần vào và sự phát
triển của ngành gia công cắt gọt. Trong một số trường hợp người ta cũng có thể sử
dụng máy truyền thống để gia cơng cao tốc.

Hình 1.3: Máy phay cao tốc Quantum AS với tốc độ trục chính là
12.000 vg/ph, tốc độ chạy dao nhanh lên đến 30m/ph

14


Tuy nhiên, để thực hiện gia cơng cao tốc thì máy cũng có những yêu cầu đặc
biệt. Sau đây là những yêu cầu chung đối với máy được sử dụng trong gia cơng cao
tốc:
- Phải có độ cứng vững cao, chống rung động.

- Cơng suất của động cơ trục chính phải lớn.
- Độ cững vững tĩnh và động của trục chính phải cao.
- Động cơ dẫn động chạy dao tốc độ cao.
- Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia cơng cao tốc.
- Trục chính và thiết bị kẹp dao có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt.
- Hệ thống máy phải chắc chắn và độ cứng vững cao.
Dưới đây là các yêu cầu cụ thể:
1.4.1. Động cơ dẫn động trục chính:
- Cơng suất của động cơ trục chính phải đủ lớn vì cần có một lượng cơng
suất đáng kể để quay trục chính ở tốc độ cao. Thông thường đối với các máy gia
công cao tốc người ta sử dụng các động cơ servo điều khiển vơ cấp có cơng suất
cao.
- Trục chính được điều khiển bởi các động cơ. Thường sử dụng động cơ
Servo theo chế độ vịng lặp kín, bằng cơng nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính
xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng.
- Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động
cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh. Hệ thống điều khiển này cho
phép người sử dụng có thể tăng tốc trục chính lên rất nhanh.
- Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh rất quan trọng cho việc nâng cao năng
suất. Một máy công cụ với tốc độ tăng tốc/giảm tốc cao có thể duy trì vùng tốc độ
chạy dao khơng đổi trên hầu hết hành trình cắt.

15


Hình 1.4: Kết cấu máy gia cơng cao tốc

- Các dạng điều khiển trục chính:

Hình 1.5: Các loại truyền động trục chính

16


 Điều khiển đai: Truyền động từ động cơ tới trục chính thơng qua dây đai.
Sự kết hợp tốt giữa momen và tốc độ tạo ra nhiều sự lựa chọn cho chế độ
làm việc của máy.
 Điều khiển trực tiếp: Ưu điểm chính là nó có thể cải thiện được tốc độ trục
chính lên đến 60.000v/ph. Tạo ra q trình làm việc êm.
 Điều khiển bánh răng: Nó có khả năng duy trì tốc độ 10000v/p ở chế độ tải
nặng.
1.4.2. Trục chính và ổ đỡ trục chính
- Độ cứng vững tĩnh và động của trục chính phải cao. Trục chính phải có độ
cứng vững và độ ổn định nhiệt cao. Các ổ đỡ phải có tần số vịng quay cao. Kích
thước ổ, kiểu ổ, số ổ, tải, kiểu bơi trơn ổ và vật liệu làm ổ yêu cầu phải được kiểm
tra chặt chẽ cho máy công cụ gia công cao tốc. Kiểu ổ đỡ lai hoặc hoàn toàn bằng
ceramic cũng có thể được dùng cho máy gia cơng cao tốc.

Hình 1.6: Ổ lai với bi làm bằng cearamic.
- Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao phải có độ đồng tâm cao và cân bằng
tốt. Khi số vòng quay tăng thì lực ly tâm sẽ tăng tỷ lệ với bình phương của vận tốc
quay. Sự mất cân bằng trong hệ thống cũng như sự không đồng tâm sẽ làm gia tăng
lực li tâm, gây động cho máy. Do vậy hệ thống gá dao phải kẹp chặt dao, trục chính
phải có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt.

17


Hình 1.7: Trục chính của HSM
1.4.3. Hệ thống dẫn động bàn máy

Hệ thống dẫn động bàn máy trong HSM phải đảm bảo được dịch chuyển rất
chính xác, êm. Ngồi ra phải có khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh. Vì vậy người
ta sử dụng hệ thống truyền động vít me – đai ốc bi được dẫn động trực tiếp bởi các
động cơ servo.

Hình 1.8: Vít me – đai ốc bi
1.4.4 Bộ điều khiển CNC
Bộ điều khiển CNC phải có khả năng xử lý đủ nhanh. Xu hướng phát triển
các bộ điều khiển CNC là chúng phải giảm được thời gian xử lý các khối lệnh và

18


tăng khả năng “look ahead” (dự đốn trước), có khả năng nội suy cung trịn thơng
qua đường cong NURBS.
1.4.5 Bàn máy và đồ gá
Để tăng độ chính xác, năng suất và tính vạn năng người ta thường sử dụng
các bàn máy xoay (đối với các máy 4 trục hoặc 5 trục).

Hình 1.9: Bàn xoay trên máy CNC
Bàn xoay CNC có tác dụng làm tăng thêm tính vạn năng cho máy CNC. Đối
với các bàn xoay 2 trục, nhờ khả năng nghiêng bàn xoay đi một góc nào đó, nên cho
phép máy CNC 3 trục gia công được các bề mặt phức tạp như cánh tua bin, cánh
chân vịt ở tàu thủy. Phạm vi sử dụng của bàn xoay là rất rộng, nhưng chủ yếu là
dùng để gia công các chi tiết có bề mặt như:
- Mặt phẳng.
- Các bề mặt định hình (bề mặt cam, cối dập, khn…).
- Các ren vít trong và ngồi.
- Gia cơng bánh răng và dao cắt nhiều lưỡi có răng thẳng hoặc xoắn.
- Các rãnh thẳng và xoắn.

19


- Các bề mặt nghiêng.
Đặc biệt với bàn xoay nhiều trục, có thể tiến hành gia cơng cùng một lúc
nhiều chi tiết. Từ đó sẽ làm tăng khả năng cơng nghệ của máy; Tăng năng suất gia
công; Giảm thời gian tháo lắp và điều khiển dụng cụ cũng như thời gian gia công cơ
bản.
1.4.6 Hệ thống thân và đế máy
Khi gia công trên các máy cao tốc, tốc độ trục chính sẽ rất lớn. Vấn đề an
tồn phải được đặt lên hàng đầu. Do vậy để đảm bảo an toàn trong q trình gia
cơng thì hệ thống thân máy phải được trang bị các thiết bị che chắn cũng như các
thiết bị bảo vệ để đảm bảo an toàn khi có sự cố về dao. Cụ thể khung máy và các hệ
thống hỗ trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống kẹp chặt… phải có độ cứng vững
cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia công cao tốc.
Các máy phay cao tốc thường có khối lượng nặng hơn 1,5 lần và có đế máy
rộng hơn so với các máy CNC thơng thường cùng kích cỡ để tạo ra sự chắc chắn.
Thân máy được làm từ gang đúc khơng có khuyết tật để tăng độ cứng vững cho
máy.
1.4.7 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội
Với tốc độ cắt gọt rất lớn, do vậy yêu cầu đối với hệ thống cung cấp dung
dịch trơn nguội cũng hết sức đặc biệt. Khi tốc độ quay cao, xung quanh dao cắt xuất
hiện vùng gió xốy nên phương pháp làm nguội truyền thống không thể làm nguội
hiệu quả. Ở đây, hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội thường phải có áp suất cao
để có làm mát dao một cách nhanh chóng. Việc thay dao nhanh yêu cầu dung dịch
trơn nguội phải sạch hơn so với thông thường nên hệ thống cấp dung dịch trơn
nguội phải có khả năng lọc tốt.
Khi gia công ở tốc độ cao, nhiệt sinh ra rất lớn nên việc làm nguội bằng dung
dịch trơn nguội không hiệu quả. Nhưng có đến 70 – 80% nhiệt sinh ra được phoi và

một phần nhờ dụng cụ đưa ra ngồi, vì vậy vấn đề ở đây là tăng khả năng thốt phoi
khỏi bề mặt gia cơng để thốt nhiệt và tránh cào xước bề mặt gia cơng. Vì vậy ở
HSM người ta thường sử dụng khí nén để thổi bay phoi. Thậm chí trong một số

20


trường hợp có thể người ta sử dụng kiểu phun sương (dung dịch làm mát ở dạng
sương mù) với áp suất cao để tăng hiệu quả làm mát.
1.5 Máy gia cơng cao tốc thường dùng
Hiện nay có nhiều loại máy gia công cao tốc được sử dụng, phổ biến nhất là
các trung tâm phay ngang và phay đứng 3 trục (HMC/VMC), đặc biệt là các trung
tâm gia công ngang được sử dụng khá rộng rãi. Với yêu cầu của sản xuất địi hỏi
ngày một nâng cao thì xu hướng sử dụng các trung tâm gia công HMC trong HSM
sẽ ngày càng được phát triển. Máy phay CNC 4 trục đưa ra giải pháp làm nghiêng
dao phay để cải thiện chế độ cắt. Máy 5 trục với những đơn vị trục có thể thay thế
cho phép gia cơng thơ, bán tinh và gia công tinh với một chế độ thiết lập.
Với nhiều tính năng vận hành cao (10000 – 50000vịng/phút), cơng suất trục
7,5 - 40kW và tốc độ cắt 10 – 60m/phút, các trung tâm gia cơng sẵn có trên thị
trường và đang được sử dụng rộng rãi cho HSM trong thời gian gần đây. Gia công
cao tốc yêu cầu độ cứng vững cao, những trục chính cứng vững với những đặc
trưng rung động rất thấp và đồ gá dụng cụ được cân bằng. Những hệ động cơ servo
và bộ điều khiển phải đủ tiên tiến để hỗ trợ “look – ahead”. Hệ thống CAM và hệ
thống “look – ahead” phải cho phép máy công cụ dễ dàng tăng tốc và giảm tốc một
cách hiệu quả nhất cho hiệu chỉnh dụng cụ. Công nghệ máy công cụ hiện tại cho
phép sử dụng động cơ tuyến tính vận tốc cao điều khiển, những đường ăn dao 3D
với vận tốc trên 12m/ph, tăng tốc và giảm tốc độ gần 1,0g (g: là gia tốc trọng
trường). Gia cơng cao tốc có thể được thực hiện trên một trung tâm gia công.
Nghiên cứu về gia cơng cao tốc tại phịng thí nghiệm Net ShapeManufacturing
được thực hiện trên một trung tâm gia công ngang bốn trục (Makino A55 Delta)

như hình dưới đây:

21


Hình 1.10: Trung tâm phay cao tốc Makino A55 Delta
Hình 1.11 là máy phay cao tốc của hãng Akira seiki thuộc mác chủng loại
SV760:

Hình 1.11: Máy phay cao tốc hãng Akira seiki SV760.

22


Bảng 1.1: So sánh thông số kỹ thuật của một số máy gia công cao tốc trục thẳng
đứng của một số hãng nổi tiếng:
Micron

Mazak

Deckel

HSM 700

FJV-25N

DMC V65

Hành trình trục X (mm)

700

1020

650

Hành trình trục Y (mm)

550

510

500

Hành trình trục Z (mm)

450

460

500

Cơng suất trục chính (kW)

10

30

15

42.500

25.000

18.000

Gia tốc

10m/s2

-

-

Tốc độ ăn dao (mm/ph)

40.000

50.000

60.000

40.000

50.000

60.000

12

30

30

Mazak

TNC 430M

Thống số kỹ thuật

Số vịng quay trục chính
(vịng/ph)

Tốc độ chạy dao nhanh
(mm/ph)
Số dao trong ổ tích dao
Bộ điều khiển

P

ATEK HS Plus

Dưới đây là máy phay cao tốc VelociRaptors của hãng DATRON Dynamics
(Mỹ). Với tốc độ trục chính của máy từ 7000 ÷ 60000 (vòng/phút).

23


Hình 1.12: Máy phay cao tốc của hãng Datron
1.6 Dụng cụ cắt

Trong gia công cao tốc, đặc biệt là trong việc chế tạo khuôn mẫu, phương
pháp phay các bề mặt khuôn mẫu trên máy phay CNC là phương pháp phay bao
hình, dụng cụ cắt là các dao phay ngón. Do các bề mặt khn mẫu có hình dáng
hình học rất rất đa dạng nên hình dáng hình học của các dao phay ngón được sử
dụng cũng có các loại khác nhau để phù hợp với bề mặt cần gia công, đảm bảo lấy
đi được nhiều lượng dư nhất, chất lượng bề mặt tốt nhất, năng suất cao nhất. Hiện
nay dụng cụ cắt được sử dụng trên máy phay CNC để gia công bề mặt 3D thường
sử dụng các dao: dao phay ngón đầu phẳng, dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn,
dao phay ngón đầu cầu, dao phay ngón đầu côn cầu.
Trong hầu hết các phần mềm CAD/CAM đều cho phép khai báo các loại
hình dáng dao như trên. Các thơng số để định nghĩa hình học một dụng cụ gồm:
+ Hình dáng dao: đầu cầu (Ball mill), đầu phẳng (End mill)
+ Đường kính dao D (Diameter)
+ Góc cơn A (Tapper angle)

24