Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay cao tốc

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

HỒNG TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
KHI PHAY CAO TỐC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2015


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

HỒNG TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
KHI PHAY CAO TỐC
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 62520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS NGUYỄN HUY NINH
2. GS. TS TRẦN VĂN ĐỊCH

Hà Nội - 2015

LỜI CẢM ƠN
Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn khoa
học tôi PGS.TS Nguyễn Huy Ninh và GS.TS Trần Văn Địch đã hƣỡng dẫn và hỗ trợ tận
tình tơi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo
sau đại học, Viện Cơ Khí-Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất và
giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Tôi biết ơn và cảm ơn tới thầy cô bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy –Trƣờng Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ và giúp đỡ tôi.
Tôi biết ơn tới thầy TS. Phạm Văn Bổng đã có góp ý và hỗ trợ tơi trong thời gian
làm luận án.
Tôi biết ơn và cảm ơn tới TS. Trần Ngọc Hiền-Bộ môn Thiết kế máy –Trƣờng ĐH
Giao Thông Vận Tải, thầy cô bộ môn Công Nghệ - Khoa Cơ Khí, thầy cơ Khoa Cơ Khí
Trƣờng đại học Công Nghiệp Hà Nội và thầy cô trung tâm Hồng Hải Foxcon đã giúp đỡ và
hỗ trợ tơi hồn thành thí nghiệm.
Và đặc biệt cảm ơn sự hỗ trợ và giúp đỡ tơi về thời gian, góp ý chun môn và tạo
điều kiện của Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ Khí trƣờng Đại học Cơng nghiệp Hà Nội.
Tơi cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính, thời gian và quan tâm tạo điều kiện và giúp đỡ
của Ban Giám hiệu, phịng Tổ Chức Hành Chính-Trƣờng Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn của tơi với mẹ và cha tơi, vì nếu khơng có họ hỗ trợ liên
tục, động viên và giúp đỡ gia đình nhỏ của tơi. Tơi cũng muốn cảm ơn đại gia đình của tôi
đặc biệt là bố mẹ vợ tôi đã động viên và giúp đỡ tôi và vợ con tôi những ngày các con tơi
cịn nhỏ để tơi có thời gian học tập.
Cuối cùng nhƣng khơng kém phần quan trọng đó là vợ tôi, ngƣời đồng hành của tôi
trên cuộc hành trình dài này, tơi muốn cảm ơn vợ tơi vì sự kiên nhẫn của mình với tơi và
với các con u của chúng tơi. Nếu khơng có sự hỗ trợ liên tục của vợ tơi thì tơi khó có thể
hồn thành công việc nghiên cứu này. Và các con tôi, tôi muốn cảm ơn các con tôi rất
nhiều dù các con tơi cịn nhỏ và chƣa hiểu những gì khiến tơi có ý trí, niềm tin và phấn
đấu.

Hà Nội, ngày 29 tháng 10 năm 2015
Tác giả

Hoàng Tiến Dũng

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận án là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi dƣới sự
hƣớng dẫn của PGS.TS Nguyễn Huy Ninh và GS.TS Trần Văn Địch. Kết quả nêu trong
luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào
khác.
Hà Nội, ngày 29 tháng 10 năm 2015
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1

TÁC GIẢ

PGS.TS NGUYỄN HUY NINH

HOÀNG TIẾN DŨNG

HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 2

GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH

2


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................. 2
MỤC LỤC ......................................................................................................... 3
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 12
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC .................................. 15
1.1 Lịch sử và khái niệm về gia công cao tốc ............................................. 15
1.2. Dụng cụ cắt sử dụng trong gia công cao tốc ........................................ 19
1.3. Sự hình thành phoi trong q trình gia cơng ........................................ 20
1.4. Lực cắt và nhiệt cắt trong q trình gia cơng cao tốc .......................... 23
1.5 Ảnh hƣởng độ ổn định của máy trong q trình gia cơng cao tốc ........ 24
1.6 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc............................................... 25
1.7 Đặc điểm và ứng dụng của gia công cao tốc......................................... 26
1.7.1 Đặc điểm của gia công cao tốc ....................................................... 26
1.7.2 Các ứng dụng của gia công cao tốc ................................................ 27
1.8 Tổng quan về cơng trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. .................. 30
1.9 Giới hạn vấn đề nghiên cứu .................................................................. 32
1.10 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................... 33
Chƣơng 2: CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG KHI PHAY CAO TỐC BẰNG
DAO PHAY NGÓN LIỀN KHỐI................................................................... 34
2.1 Lực cắt khi phay .................................................................................... 34
2.1.1 Giới thiệu ........................................................................................ 34
2.1.2 Phân tích lực cắt trong quá trình phay. .......................................... 37
2.1.3 Phân tích lực trên lƣỡi cắt của dao phay ngón. .............................. 40
2.1.4 Phân tích mơ hình lực cắt dao phay ngón. ..................................... 42
2.2 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công ......................................................... 46
2.2.1 Đặt vấn đề....................................................................................... 46
2.2.2 Thông số độ nhám bề mặt .............................................................. 46
2.3 Rung động ............................................................................................. 51
2.3.1 Đặt vấn đề....................................................................................... 51
2.3.2 Ổn định và mất ổn định trong q trình gia cơng .......................... 52

2.3.3 Các thông số cơ bản của rung động ............................................... 52
3


2.3.4. Phân tích ảnh hƣởng của rung động trong quá trình gia cơng ...... 55
2.4 Mịn dụng cụ cắt .................................................................................... 62
2.4.1 Khái niệm mòn dụng cụ cắt ........................................................... 62
2.4.2 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt .......................................................... 62
2.4.3 Các dạng mòn phần cắt dụng cụ cắt ............................................... 65
2.4.4. Chỉ tiêu đánh giá mòn của dụng cụ cắt ......................................... 66
2.4.5 Các thơng số chế độ cắt ảnh hƣởng tới lƣợng mịn dụng cụ cắt khi
phay ......................................................................................................... 67
2.5 Kết luận chƣơng 2 ................................................................................. 69
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CÁC MƠ
HÌNH TỐN HỌC Q TRÌNH PHAY CAO TỐC .................................... 70
3.1 Mơ hình thực nghiệm ............................................................................ 70
3.1.1 Phân tích và thiết kế mơ hình thực nghiệm .................................... 70
3.1.2 Máy, dụng cụ cắt, vật tƣ và thiết bị đo ........................................... 72
3.1.3 Thí nghiệm và phân tích xử lý kết quả ........................................... 74
3.2 Kết quả đo thực nghiệm và xử lý kết quả ............................................. 76
3.2.1 Thực nghiệm đo kết quả lực cắt và xây dựng mơ hình tốn học lực
cắt phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. ....................................... 76
3.2.2 Thực nghiệm đo kết quả độ nhám bề mặt và xây dựng mơ hình
tốn học nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. ........ 81
3.2.3 Thực nghiệm đo kết quả rung động và xây dựng mơ hình tốn học
rung động phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. ........................... 83
3.2.4 Thực nghiệm đo kết quả lƣợng mịn mặt sau và xây dựng mơ hình
tốn học lƣợng mịn mặt sau phụ thuộc vào chế độ cắt và thời gian gia
công. ........................................................................................................ 89
3.3 Kết luận chƣơng 3 ................................................................................. 92

Chƣơng 4 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TIẾN HĨA ĐỂ TỐI ƢU HĨA VÀ
TỰ TỐI ƢU Q TRÌNH PHAY CAO TỐC ............................................... 93
4.1 Đặt vấn đề.............................................................................................. 93
4.2 Tiếp cận thuật tốn tiến hóa để giải bài tốn tối ƣu .............................. 96
4.3 Cơ sở tối ƣu hóa q trình cắt gọt ......................................................... 97
4


4.3.1 Khái niệm cơ bản về tối ƣu hóa quá trình gia cơng cắt gọt ........... 97
4.3.2 Cơ sở kinh tế kỹ thuật của tối ƣu hóa q trình gia cơng cắt gọt .. 98
4.4 Bài tốn tối ƣu hóa ................................................................................ 99
4.4.1 Cơ sở tối ƣu hóa thơng số gia công ................................................ 99
4.4.2 Một số hàm mục tiêu trong công nghệ ......................................... 100
4.4.3 Các hàm giới hạn và miền xác định thông số công nghệ ............. 101
4.5 Cơ sở lý thuyết tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) .......................................... 103
4.5.1 Một số định nghĩa tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) ............................... 103
4.5.2 Mơ tả thuật tốn PSO ................................................................... 106
4.5.3 Xây dựng giải thuật PSO.............................................................. 107
4.5.4 Giải bài tốn tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc ................... 109
4.5.5 Kết quả và đánh giá kết quả bài toán ........................................... 112
4.6 Tự tối ƣu thơng số cắt trong q trình gia công .................................. 115
4.6.1 Đặt vấn đề..................................................................................... 115
4.6.2 Các nghiên cứu liên quan và mơ hình hệ thống điều khiển tự tối ƣu
............................................................................................................... 116
4.6.3 Xác định hàm mục tiêu điều khiển tự tối ƣu trong gia công ........ 118
4.7 Kết luận chƣơng 4 ............................................................................... 125
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................. 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 128

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26

27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41

Ký hiệu
HSM
HSC
CNC
EDM
NURBS
ANOVA
HRC
HB
HV
Dtr
D
N
n

v
f
fz
ar
ap
Re
G()
Rz
Ra
(t)
Fx
Fy
Fz
Fr
Ft
Fa
h
ha

Krc
Ktc
Kac
Kre
Kte
Kae
st
ex
p

Ý nghĩa

Đơn vị
High Speed Milling (Phay cao tốc)
High Speed Cutting (Cắt cao tốc)
Computer Numerical Control(Điều khiển số trợ giúp máy
tính)
Electrical Discharge Machining
(Gia công tia lửa điện)
Non Uniform Rational B-Spline
(Đƣờng cong B-Spline hữu tỉ khơng đều)
Analysis Of Variance (Phân tích phƣơng sai)
Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Rockwell C
HRC
Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Brinell
HB
Đơn vị đo độ cứng theo phƣơng pháp Vickers
HV
Đƣờng kính trong vịng ổ
mm
Đƣờng kính dụng cụ cắt
Số lƣỡi cắt của dụng cụ cắt
Tốc độ vịng quay trục chính
Vịng/phút
Tốc độ cắt
m/phút
Tốc độ lƣợng chạy dao
mm/phút
Lƣợng chạy dao răng
mm/răng
Chiều sâu cắt theo phƣơng hƣớng kính
mm

Chiều sâu cắt theo phƣơng dọc trục
mm
Giá trị hệ số phần thực trong hàm truyền tần số
Hàm truyền trong miền tần số
Chiều cao nhấp nhơ trung bình của bề mặt chi tiết
m
Sai lệch profin trung bình của bề mặt chi tiết
m
Chuyển vị theo thời gian
Thành phần lực cắt theo phƣơng X
N
Thành phần lực cắt theo phƣơng Y
N
Thành phần lực cắt theo phƣơng Z
N
Thành phần lực cắt theo phƣơng pháp tuyến
N
Thành phần lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến
N
Thành phần lực cắt theo phƣơng dọc trục
N
Độ dày của phoi
mm
Độ dày trung bình của phoi
mm
góc cắt tức thời của lƣỡi cắt so với phƣơng thẳng đứng
Độ
Hệ số lực cắt theo phƣơng pháp tuyến với phoi
Hệ số lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến với phoi
Hệ số lực cắt theo phƣơng dọc trục với phoi

Hệ số lực cắt theo phƣơng pháp tuyến với chi tiết gia
công
Hệ số lực cắt theo phƣơng tiếp tuyến với chi tiết gia công
Hệ số lực cắt theo phƣơng dọc trục với chi tiết gia cơng
Góc ăn dao
Độ
Góc thốt dao
Độ
Góc bƣớc răng của dụng cụ cắt
Độ

6


42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57

58
59
60
61
62
63

Tc
Pt
ψ

z
VB
VBmax

PSO
RO
rmp
HSK
Hp
CBN
TiN
TiAlN
MOCVD
blim

Ax, Ay
PCT
GA

Mơ men cắt tức thời
Cơng suất cắt
Góc trễ
Góc xoắn của lƣỡi cắt
Chiều sâu của điểm trên lƣỡi cắt theo phƣơng Z
Lƣợng mòn mặt sau dụng cụ cắt
Lƣợng mòn mặt sau dụng cụ cắt lớn nhất
Thời gian gia công
Tối ƣu hóa bầy đàn
Độ đảo dụng cụ cắt (Run-Out)
Ký hiệu đơn vị tốc độ vòng quay vòng/phút
Ký hiệu cơ cấu bầu kẹp dao
Đơn vị mã lực (Horse Power)
Cấu trúc Cabit bornitrit
Lớp phủ Titan Nitrit
Lớp phủ Titan Nhôm Nitrit
Phủ hữu cơ, phủ dùng hợp chất hữu cơ của kim loại
Chiều sâu cắt tới hạn
Tần số rung động riêng
Biên độ rung động theo phƣơng X, Y
Phay cao tốc
Giải thuật di truyền

7

Nmm
Kw
Độ
Độ
mm

m
m
Phút
m

mm
Hz
m/s2


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng
Bảng 1.1
Bảng 2.1
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7
Bảng 3.8
Bảng 3.9
Bảng 3.10
Bảng 1.11
Bảng 3.12
Bảng 3.13
Bảng 3.14
Bảng 3.15
Bảng 3.16

Bảng 3.17
Bảng 3.18
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3
Bảng 4.4
Bảng 4.5
Bảng 4.6
Bảng 4.7
Bảng 4.8
Bảng 4.9

Tên bảng
So sánh tốc độ cắt gia cơng truyền thống và tốc độ cắt cao tốc
Thuật tốn mơ phỏng lực cắt dao phay ngón
Giá trị các yếu tố biến thiên trong thực nghiệm
Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào
Kết quả đo lực cắt 3 thành phần Fx, Fy, Fz
Bảng kết quả tính tốn Logarit lực cắt theo 3 phƣơng X,Y,Z
Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp
ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến lực cắt theo phƣơng x (Fx)
Thông số phân tích ANOVA
Bảng kết quả tính tốn logarit lực cắt Fxy
Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp
ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến Fxy
Kết quả đo độ nhám bề mặt
Bảng kết quả tính Logarit
Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp
ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến độ nhám bề mặt (Ra)
Bảng kết quả đo và tính Logarit rung động theo phƣơng X,Y

Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp
ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến rung động theo phƣơng x
(Ax)
Bảng kết quả tính tốn logarit biên độ rung động Axy
Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp
ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến Axy
Bản kết quả đo lƣợng mòn (VB)
Bảng kết quả tính Logarit các thơng số và lƣợng mịn (VB)
Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp
ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến lƣợng mịn mặt sau (VB)
Kết quả tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật tốn tối ƣu hóa
bầy đàn (PSO)
Kết quả tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật tốn di truyền
(GA)
Đánh giá kết quả tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán PSO
Chế độ cắt tối ƣu và giá trị Ra, VB tại thời gian =5 phút
Chế độ cắt tối ƣu và giá trị Ra, VB tại thời gian =8 phút
Chế độ cắt tối ƣu và giá trị Ra, VB tại thời gian =15 phút
Giá trị Ra và VB tại thời gian =5 phút
Giá trị Ra và VB tại thời gian =8 phút
Giá trị Ra và VB tại thời gian =15 phút

8

Trang
16
41
75
76
76

77
78
78
80
80
81
82
82
86
87
88
88
89
90
90
113
114
114
124
124
124
125
125
126


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình
Hình 1.1
Hình 1.2

Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16
Hình 1.17
Hình 1.18
Hình 1.19
Hình 1.20
Hình 1.21
Hình 1.22
Hình 1.23
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9

Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12

Tên hình vẽ
Trang
Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công
15
Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đốn của Salomon)
15
Vùng tốc độ gia cơng cao tốc một số loại vật liệu
16
Trục chính Fischer 170-40-40krpm/40kW, HSK 63F
17
So sánh khả năng bóc tách vật liệu phay truyền thống và phay cao tốc
18
Kiểu mịn trên dao phay ngón
19
Kiểu mòn dao phay cầu trong phay cao tốc
19
Ảnh hƣởng của lớp phủ vật liệu dụng cụ cắt khác nhau lên tuổi bền
20
của dụng cụ cắt
Phoi sinh ra từ vận tốc cắt khác nhau
21
Bề dày phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau
21
Hình thái phoi nhận đƣợc trong vùng gia công thông thƣờng và gia
21
công cao tốc

Mặt cắt của việc hình thành phoi trong gia cơng khi cắt tốc độ cắt
22
khác nhau
Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng khi thay đổi
23
vận tốc cắt
So sánh nhiệt trong q trình gia cơng truyền thống và gia công cao
23
tốc
Ổ lăn với bi làm bằng Ceramic
25
Nhám bề mặt khi cắt bằng dao phay ngón đầu cầu
28
Khn đúc pha đèn trƣớc
28
Điện cực đồng để gia công EDM
29
Các kiểu khuôn điển hình để gia cơng cao tốc: Khn dập chi tiết ô
29
tô, khuôn thổi chai nhựa và ép phun tai nghe
Điện cực EDM có thành mỏng
29
Chi tiết bộ phận hạ cánh của máy bay vận tải Boeing Cargo C-17
29
Bộ phận phối nhiên liệu bằng nhôm
30
Đồ thị đo độ nhám bề mặt Ra khi lƣợng chạy dao thay đổi phƣơng
31
pháp truyền thống và cao tốc
Ảnh hƣởng động lực học máy và động lực học gia công trên hệ thống

34
gia công
Bốn vấn đề chính ảnh hƣởng đến độ chính xác bề mặt chi tiết gia
35
cơng
Sơ đồ về mơ hình, mơ phỏng, tối ƣu hóa và điều khiển q trình gia
35
cơng trên cơ sở động lực học gia cơng
Sơ đồ mơ hình thơng số nghiên cứu
36
Biểu đồ xƣơng cá các yếu tố ảnh hƣởng độ nhám bề mặt chi tiết gia
36
công
Biểu đồ xƣơng cá các yếu tố ảnh hƣởng đến lực cắt
37
Vùng tiếp xúc dụng cụ cắt và phơi
38
Thơng số hình học và hình thành phoi khi phay
38
Hình học dao phay ngón rãnh xoắn
40
o
Mơ phỏng lực cắt dao phay ngón 4 lƣỡi góc xoắn 30
42
Sơ đồ lực cắt tác dụng lƣỡi cắt của dao phay ngón khi gia cơng
44
Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy
47

9

Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 2.19
Hình 2.20
Hình 2.21
Hình 2.22
Hình 2.23
Hình 2.24
Hình 2.25
Hình 2.26
Hình 2.27
Hình 2.28
Hình 2.29
Hình 2.30
Hình 2.31
Hình 2.32
Hình 2.33
Hình 2.34
Hình 2.35

Hình 2.36

Hình 2.37
Hình 3.1

Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12

Ảnh hƣởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến
độ nhám bề mặt khi tiện
Ảnh hƣởng của tốc độ v đến Rz
Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao S đến Rz
Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao và độ đảo của dụng cụ cắt (RO) đến
độ nhám bề mặt
Phân biệt trạng thái ổn định và mất ổn định
Ví dụ về tín hiệu dao động điều hịa
Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của cùng một chuyển động
Tự rung trong hệ thống phay hai bậc tự do
Sơ đồ phân tích Fourier trong thiết bị đo rung
Ảnh hƣởng của hệ số lực cắt theo phƣơng hƣớng kính (Kr) và bề rộng
cắt bởi góc ăn dao (st) và góc thốt dao (st) đến hệ số trung bình
ma trận hƣớng
Sơ đồ hàm truyền của rung động trong quá trình phay cao tốc
Cơ chế mài mịn của dụng cụ
Mài mịn chảy dính
Mài mịn hạt mài(Cào xƣớc)

Mịn khuếch tán
Mịn Oxy hóa
Mịn do nhiệt
Mịn mặt sau dao phay ngón
Mịn mặt trƣớc dao phay ngón
Mịn mặt trƣớc và sau dao phay ngón
Mịn tù lƣỡi cắt của dao phay ngón
Lƣợng mịn mặt sau liên quan đến thời gian và tốc độ cắt khác nhau
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.
Ảnh hƣởng lƣợng chạy dao đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh
xoắn phủ Cooltop khi gia cơng vật liệu Uddeholm Impax Hi
Hard(CMC 03.22), 380HB.
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.
Mô tả tóm tắt thí nghiệm
Rà độ song song của đồ gá và thiết bị đo đảm bảo độ chính xác
Mơ hình thực nghiệm
Hình ảnh máy HS Super MC500
Hình ảnh phơi thực nghiệm
Thông số dụng cụ sử dụng thực nghiêm nhà sản xuất dụng cụ
Sandvik khuyến cáo
Bản vẽ lắp và phân rã 3D của đồ gá thực nghiệm
Thiết bị đo lực cắt
Thiết bị đo rung động
Thiết bị đo độ nhám
Thiết bị đo quang học
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với Fx

10

48
49
50
51
52
53
54
55
56
59
61
62
63
63
64
64
65
65
65
66
66
66
67
68

68
70

71
71
72
72
73
73
73
74
74
74
79


Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8

Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19
Hình 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22
Hình 4.23
Hình 4.24
Hình 4.25
Hình 4.26
Hình 4.27

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với Fy
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với Fz
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với độ nhám bề mặt
Ra
Sơ đồ phân tích thực nghiệm đáp ứng tần số hệ dụng cụ gia cơng
Giao diện phân tích Modal testing
Kết quả phân tích Modal testing
Kết quả đo rung động v=596m/p, f=2375mm/p, ar=0,1mm
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar đến rung động theo
phƣơng x (Ax)

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar đến rung động theo
phƣơng y (Ay)
Sự cần thiết cho phát triển hệ thống sản xuất mới
Các lĩnh vực nghiên cứu về hệ thống sản xuất thơng minh
Tích hợp kiến thức chuyên gia tới hệ thống CAD/CAM/CNC
Vai trò của khoa học nhận thức đối với hệ thống sản xuất tự động
Mơ hình của một máy cơng cụ tự thích nghi
Kiến trúc của máy CNC nghiên cứu tối ƣu hóa động
Sơ đồ cấu trúc kết nối hệ thống tự điều chỉnh trong q trình gia cơng
Mơ hình đƣờng cắt thực nghiệm phay thuận
Ảnh hƣởng của biến dạng dụng cụ cắt khi phay biên dạng
Bầy đàn với mƣời cá thể trong khơng gian tìm kiếm hai chiều
Quan hệ vị trí-vận tốc trong khơng gian hai chiều
Một bày đàn tồn cục và lân cận cục bộ
Các topology lân cận đơn giản
Chuyển động của cá thể
Thực nghiệm xác định độ võng của dụng cụ của hãng Sandvik
Sơ đồ khối thuật toán PSO
Giao diện phần mềm tối ƣu chế độ cắt sử dụng thuật toán PSO
Giao diện giải thuật di truyền (GA) tối ƣu chế độ cắt trong Matlab
Giao diện kết quả chế độ cắt tối ƣu và Ramin
Xu hƣớng kỹ thuật điều khiển thông minh
Hệ thống điều khiển tự tối ƣu (Self-Optimizing)
Mục tiêu tự tối ƣu hóa trong q trình gia cơng
Sơ đồ thuật toán điều khiển tự tối ƣu chế độ cắt trong trƣờng hợp
mòn dao
Giao diện phần mềm tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay
cao tốc
Đồ thị và kết quả tối ƣu hóa tại thời điểm =5 phút
Đồ thị và kết quả tối ƣu hóa tại thời điểm =8 phút

Đồ thị và kết quả tối ƣu hóa tại thời điểm =15 phút

11

79
79
83
84
85
85
86
87
87
93
94
95
95
96
98
98
100
103
103
104
105
105
108
110
111
112

113
113
115
117
118
122
123
124
125
125


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, phay cao tốc (High Speed Milling – HSM) là một trong những công
nghệ quan trọng hàng đầu trong nền công nghệ gia cơng hiện đại. Do tính phức tạp của
HSM, cho tới nay vẫn còn rất nhiều câu hỏi mở liên quan tới lĩnh vực này. Các đặc điểm
kỹ thuật, đặc tính bề mặt, chất lƣợng sản phẩm và hiệu quả kinh tế có thể đạt đƣợc thơng
qua q trình gia cơng cao tốc. Hiện nay công nghệ gia công cao tốc trên thế giới đang
phát triển rất mạnh mẽ. Tuy nhiên, đối với Việt Nam gia cơng cao tốc cịn mới đối với các
Doanh nghiệp, cơ sở sản xuất cho nên gặp nhiều khó khăn trong khai thác và đầu tƣ; Máy,
trang thiết bị gia công cao tốc khá đắt tiền mức khấu hao lớn mà mức độ tiếp nhận công
nghệ chƣa đầy đủ, khai thác thiết bị không hiệu quả và triệt để; Đây là cơ sở và động lực
để tác giả nghiên cứu lĩnh vực gia công cao tốc, với mục tiêu nâng cao chất lƣợng bề mặt
chi tiết gia công và tăng tuổi thọ dụng cụ cắt khi phay cao tốc, với cách tiếp cận và phƣơng
pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.
Trong gia công cao tốc, năng suất và chất lƣợng gia công phụ thuộc vào rất nhiều
yếu tố, ảnh hƣởng của các yếu tố vật liệu dụng cụ cắt và thơng số hình học của dụng cụ đã
đƣợc hãng chế tạo dụng cụ cắt nghiên cứu và chứng minh [38,57]. Đối với một hệ thống
cơng nghệ nhất định thì năng suất hay chất lƣợng bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào thông số

chế độ cắt đƣợc cài đặt. Vì vậy, điều khiển thơng số chế độ cắt là phƣơng pháp cơ bản và
hiệu quả để kiểm sốt chất lƣợng gia cơng và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị. Đặc biệt
hơn nữa bề mặt chi tiết sau khi gia công cao tốc có thể đạt độ bóng bề mặt tƣơng đƣơng
với phƣơng pháp gia cơng mài, thời gian đánh bóng bề mặt sau khi gia công cao tốc nhỏ
hơn rất nhiều so với phƣơng pháp gia cơng truyền thống, năng suất bóc tách cao hơn
phƣơng pháp gia công truyền thống [46]. Tuy vậy, kéo theo đó dụng cụ cắt mịn nhanh hơn
trong q trình gia cơng vì tốc độ cắt lớn. Do đó, việc phân tích và xây dựng mơ hình tốn
học ảnh hƣởng của chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt, tăng tuổi bền dụng cụ cắt (giảm
lƣợng mòn) trong quá trình phay cao tốc và xác định chế độ cắt tối ƣu trong q trình gia
cơng là cần thiết và luôn mở đối với công nghệ gia công cao tốc.
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin và hiệu quả đem lại từ ứng
dụng của khoa học máy tính trong sản xuất và với những tiến bộ nhƣ: 1) Tích hợp các q
trình: Các máy cơng cụ có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ và nhiều trục trên cùng một máy;
2) Dòng dữ liệu hai chiều: STEP-NC, một chuẩn dữ liệu mới, đƣợc sử dụng cho các máy
công cụ để trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống CAD/CAM (Computer Aided
Design/Computer Aided Manufacturing) và máy công cụ; 3) Điều khiển thích nghi: Các
thơng tin phản hồi đƣợc đo trực tiếp trong q trình gia cơng để giám sát và điều chỉnh
hoàn thiện sự thực thi của máy cơng cụ ngay trong q trình gia cơng [53]. Ứng dụng trí
tuệ nhân tạo (thuật tốn tiến hóa) trong tính tốn tối ƣu hóa đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí
là xu hƣớng tất yếu và cần thiết. Đây cũng là một phần rất quan trọng trong việc xây dựng
các hệ thống máy thơng minh tự thích nghi trong q trình gia cơng, giúp tăng năng suất và
chất lƣợng sản phẩm (Máy cơng cụ tự thích nghi có các chƣơng trình máy tính với các đặc
tính nhƣ: tự trị, năng lực hợp tác, khả năng phản ứng và tính chủ động [4]).
Từ những phân tích nêu trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu tối ưu hóa một số
thơng số công nghệ khi phay cao tốc” để nghiên cứu nhằm mục đích xác định chế độ cắt
tối ƣu và tự tối ƣu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình phay cao tốc góp phần
vào tiếp cận, khai thác máy và thiết bị phay cao tốc, tăng hiệu quả trong sản xuất và là cơ
sở ban đầu cho các nghiên cứu tiếp theo. Theo đó, việc giải bài tốn tối ƣu hóa trong gia
cơng cắt gọt nhằm tìm ra một phƣơng pháp tiếp cận mới, hƣớng giải quyết mới trong quá

12


trình đang gia cơng là cần thiết và có tính tất yếu trong tƣơng lai để giải quyết bài tốn
cơng nghệ gia công cắt gọt ngày càng khắt khe và yêu cầu độ chính xác cao.
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1 Mục đích
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động lực học quá trình phay cao tốc và thuật tốn tối
ƣu hóa bầy đàn (PSO).

-

Xây dựng đƣợc mối quan hệ thông số chế độ cắt với lực cắt, độ nhám bề mặt,
rung động và mòn dụng cụ cắt dƣới dạng hàm toán học. Xây dựng mối quan hệ
lƣợng mòn dụng cụ cắt phụ thuộc vào chế độ cắt và thời gian gia công khi phay
biên dạng trên máy phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối.

-

Xây dựng hàm mục tiêu tối ƣu hóa, thiết lập điều kiện biên, miền giới hạn đối với
hệ thống công nghệ để giải bài tốn tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc.

-

Xây dựng phần mềm tính tốn chế độ cắt tối ƣu và tự tối ƣu hóa (Self Optimizing) chế độ cắt trong q trình gia cơng khi xét đến mòn dụng cụ cắt và
độ nhám bề mặt dựa trên thuật tốn tối ƣu hóa bầy đàn (Particle Swarm
Optimization (PSO)).

2.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
-

Nghiên cứu gia công phay biên dạng trên máy phay cao tốc HS Super MC500 3
trục điều khiển đồng thời của trung tâm FOXCON, tốc độ quay trục chính:
100÷30000(v/phút), tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1÷30000(mm/phút),
tốc độ chạy khơng lớn nhất: 48000(mm/phút).

-

Vật liệu nghiên cứu trong gia công là thép C45, dụng cụ cắt là dao phay ngón liền
khối của Sandvik gia cơng đƣợc thép có độ cứng 19- 48 HRC. Đƣờng kính dao D =
đƣờng kính chi = 20 mm. Số lƣỡi cắt : 4. Lớp phủ Cooltop (TiAlN - Titan Nhơm
Nito). Góc nghiêng Helix : 35 độ.

-

Nghiên cứu, ứng dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) trên phần
mềm Matlab và Excel xây dựng hàm quan hệ tốn học thơng số chế độ cắt với lực
cắt, mịn dao, rung động và độ nhám bề mặt khi phay cao tốc biên dạng.

-

Tối ƣu hóa chế độ cắt để đạt đƣợc chất lƣợng độ nhám bề mặt nhỏ nhất và tự tối ƣu
hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia cơng đảm bảo hàm thích nghi
đa mục tiêu nhỏ nhất của độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng và lƣợng mịn dao.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, ứng dụng
phần mềm trong quy hoạch thực nghiệm xử lý số liệu.

-

Nghiên cứu lý thuyết để phân tích tác động tƣơng hỗ giữa các thông số chế độ cắt
đến lực cắt, độ nhám bề mặt, rung động và mòn dao.

-

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, chất lƣợng độ nhám bề mặt, rung động và mòn
dao. Xây dựng mối quan hệ chế độ cắt và thời gian gia công với mòn dao.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
-

Ý nghĩa khoa học

13


 Từ việc phân tích cơ sở lý thuyết về động lực học khi phay cao tốc đã đề xuất
bài tốn tối ƣu hóa chế độ cắt đối với vật liệu thép C45 bằng dao phay ngón liền
khối của hãng Sandvik (đƣờng kính D=20mm; 4 lƣỡi cắt có phủ lớp bề mặt
TiAlN; góc nghiêng Helix 35o) trên máy phay cao tốc HS Super MC500 có 3
trục điều khiển đồng thời của trung tâm FOXCON với hàm mục tiêu độ nhám bề
mặt nhỏ nhất, các hàm ràng buộc và miền giới hạn lựa chọn trong vùng hợp lý.
 Đã phân tích thuật tốn tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) trong xây dựng thuật tốn ứng
dụng giải bài tốn tối ƣu hóa chế độ cắt theo mơ hình đã lựa chọn bằng ngơn ngữ
lập trình trợ giúp của phần mềm Matlab. Kết quả tính tốn và đánh giá hàm hồi
quy bằng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) nhận đƣợc mơ hình tốn
học thực nghiệm mơ tả sự ảnh hƣởng chế độ cắt đến thơng số đặc trƣng trong

q trình gia cơng tới các hàm mục tiêu nhám bề mặt (Ra), rung động, lực cắt và
mịn dao.
 Đề xuất mơ hình và giải bài tốn tự tối ƣu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt
trong q trình gia cơng với hàm thích nghi đa mục tiêu (độ nhám bề mặt chi tiết
và lƣợng mòn dao) nhỏ nhất. Xây dựng thuật tốn và lập trình phần mềm bằng
Matlab để giải bài toán tự tối ƣu hóa điều chỉnh tốc độ cắt và lƣợng chạy dao
thích nghi theo hàm thích nghi đa mục tiêu (hai mục tiêu là: độ nhám bề mặt chi
tiết và lƣợng mòn dao) nhỏ nhất.
-

Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả của luận án là phƣơng pháp luận để các nhà sản xuất chọn chế độ
cắt tối ƣu khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối trên máy phay cao tốc
HS Super MC500 3 trục điều khiển đồng thời của trung tâm FOXCON đối với
thép C45 với hai chức năng xác định chế độ cắt tối ƣu với hàm mục tiêu độ
nhám bề mặt nhỏ nhất, đồng thời xác định đƣợc tốc độ cắt và lƣợng chạy dao
phù hợp theo hàm thích nghi hai mục tiêu là độ nhám và lƣợng mòn dao. Đây là
công cụ hỗ trợ cho nhà công nghệ kiểm sốt đƣợc chất lƣợng gia cơng (độ
nhám), an tồn dụng cụ (tuổi thọ).

5. Những đóng góp mới của đề tài
-

Ứng dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) trên phần mềm Excel để
xây dựng mơ hình tốn học ảnh hƣởng thông số chế độ cắt đến các yếu tố (lực cắt,
rung động, mòn dao và độ nhám bề mặt) trong phay cao tốc bằng dao phay ngón
liền khối.

-

Nghiên cứu và ứng dụng giải thuật tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) vào phay cao tốc xác
định chế độ cắt tối ƣu đảm bảo đƣợc độ nhám bề mặt nhỏ nhất và tự tối ƣu hóa
(Self - Optimizing) chế độ cắt trong q trình gia cơng đảm bảo hàm thích nghi hai
mục tiêu (lƣợng mòn dao và độ nhám bề mặt) nhỏ nhất.

-

Xây dựng đƣợc phần mềm tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa (Self - Optimizing) chế độ
cắt bằng phần mềm Matlab phục vụ trong nghiên cứu và sản xuất.

6. Cấu trúc nội dung của luận án
Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, hƣớng nghiên cứu tiếp theo, luận án
gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1 Tổng quan về gia công cao tốc; Chƣơng 2 Các thông số đặc
trƣng khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối; Chƣơng 3 Nghiên cứu thực
nghiệm và xây dựng các mơ hình tốn học q trình phay cao tốc; Chƣơng 4 Ứng dụng
thuật tốn tiến hóa để tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa (Self - Optimizing) quá trình phay cao
tốc.

14


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC
1.1 Lịch sử và khái niệm về gia công cao tốc
Định nghĩa đầu tiên về HSM đƣợc đƣa ra bởi Carl Salomon vào năm 1931. Ông
cho rằng khi tốc độ cắt đạt 5-10 lần tốc độ cắt truyền thồng thì nhiệt độ của phoi sẽ giảm
[17]. Thật ra có nhiều cách khác nhau để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố
sau:
Gia công với tốc độ cắt cao

-

Gia công với tốc độ cắt cao và lƣợng ăn dao cao.

-

Gia công với năng suất cao.

Lƣợng chạy dao lớn nhất (m/phút)

-

Phay truyền thống
Gia công tốc độ cắt cao (HVM)
Gia công tốc độ vịng quay cao(HSM)

Tốc độ quay trục chính (v/phút)

Hình 1.1 Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công[19]

Nhiệt độ cắt

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), 16500 m/phút (nhôm). Và ông đã dự đoán rằng từ một
tốc độ cắt xác định thì nhiệt độ gia cơng sẽ giảm trở lại hình 1.2.

Tốc độ cắt Vc (m/phút)

Hình 1.2 Nhiệt độ gia cơng khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon)[17]

15

Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia cơng cao tốc khác nhau hình 1.3.

Hình 1.3 Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu [19]
Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy cao
(high spindle speed), hệ điều khiển CNC cao cấp và hơn thế nữa. Tốc độ trục chính khoảng
8000 vịng/phút có thể là điểm khởi đầu cho gia công cao tốc. Trong thực tế, tốc độ cao
nhất cho gia công cao tốc trên các máy công cụ ngày càng tăng, lên đến 60.000 vòng/phút
và hơn thế nữa. Tốc độ ăn dao trung bình ít nhất là 10 m/s trong khi tốc độ di chuyển
nhanh lên đến 40 m/phút và cao hơn, cơng suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW [17].
Gia công cao tốc là sử dụng tốc độ cắt lớn gấp nhiều lần gia công thông thƣờng.
Một số ví dụ của tốc độ gia cơng thơng thƣờng và tốc độ cắt trong gia công cao tốc đƣợc
thể hiện bảng 1.1
Bảng 1.1 So sánh tốc độ cắt gia công truyền thống và tốc độ cắt cao tốc.
Vật liệu

Độ cứng

Gia công truyền
HSM vc(thô) (m/phút) HSM vc(tinh)(m/phút)
thống vc(m/phút)

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 bóc 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:

16

1-

Tốc độ cao: 300- 1800 m/phút

2-

Tốc độ rất cao: 1800-18000 m/phút

3-

Tốc độ cực cao > 18000 m/phút

Ngày nay, tốc độ quay của trục chính có thể lên tới 40.000 vịng/phút. Tuy nhiên
trong công nghiệp ô tô 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 u cầu trong gia công cao tốc thƣờng là khoảng 0.004 W/ vịng/phút (0.005
Hp/vịng/phút), trong khi trong gia cơng thơng thƣờng, năng lƣợng đó nằm trong khoảng từ
0.2 đến 0.4 W/ vịng/phút (0.25 đến 0.5 Hp/vịng/phút).
Thiết kế trục chính cho gia cơng cao tốc thƣờng bao gồm một mơ tơ điện tích hợp.
Điểm quan trọng là motor phải quấn trên trục chính và stato phải đƣợc đặt trên vỏ của trục
chính. Các ổ trục có thể là các ổ lăn hoặc thủy tĩnh, thủy tĩnh thì kết cấu nhỏ gọn hơn.
Một định nghĩa khác của gia công cao tốc đƣợc đƣa ra để đáp ứng với nhiều loại
vật liệu và vật liệu dao sử dụng khi gia
công.
Theo tài liệu kỹ thuật của hãng chế
tạo trục chính của máy phay cao tốc
Fischer đƣa ra định nghĩa phổ biến về gia
công cao tốc là sử dụng chỉ số Dtr.n đƣờng kính trong của ổ đỡ (mm) nhân với

tốc độ trục chính cao nhất (vịng/phút).
Trong gia công cao tốc, chỉ số Dtr.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 cơng cao tốc cho dù nó hoạt động
với tốc độ quay thấp hơn các ổ đỡ bé.

Hình 1.4 Trục chính Fischer170-40-40:

40 krpm/40kW, HSK 63F
Tốc độ thơng thƣờng của trục chính
cao tốc là khoảng 8.000 đến 35.000 vịng/phút, mặc dù có một số trục chính ngày nay đƣợc
thiết kế để quay với vận tốc 100.000 vịng/phút.
Một định nghĩa khác về gia cơng cao tốc là dựa vào tỉ lệ của công suất với tốc độ
nhanh nhất của trục chính Hp/vịng/phút. Với máy cơng cụ thơng thƣờng, thƣờng có tỉ lệ
Hp/vịng/phút lớn hơn máy công cụ cắt cao tốc. Theo tiêu chuẩn này, danh giới phân cách
giữa gia công thông thƣờng và gia công cao tốc là khoảng 0.005 Hp/ vịng/phút. Do vậy,
gia cơng cao tốc bao gồm các trục chính cơng suất từ 50Hp có thể quay ở 10.000
vịng/phút (0.005 Hp/vịng/phút) và trục chính cơng suất 15Hp có thể đạt tới 30.000
vịng/phút (0.0005 Hp/vòng/phút).
Các định nghĩa khác thƣờng tập trung vào năng suất và thời gian gia cơng ngắn
hơn. Trong trƣờng hợp đó, những yếu tố khơng cắt cũng tham gia vào. Đó là tốc độ dịch
chuyển nhanh và tốc độ tự động thay dụng cụ khoảng <7 s để thay từ dụng cụ cắt này sang
dụng cụ cắt khác.
Những yêu cầu cho gia công cao tốc bao gồm những yếu tố sau:
- Trục chính cao tốc phải sử dụng thiết kế chống chịu đặc biệt cho tốc độ quay
vòng/phút cao.
- Khả năng đạt tới tốc độ chạy dao cao, thông thƣờng khoảng 50m/phút.

17


- Chuyển động CNC đƣợc điều khiển với những tính năng "look-ahead", cho phép
bộ điều khiển có thể nhìn thấy trƣớc sự đổi hƣớng tiếp theo và điều chỉnh thích
hợp để ngăn chặn hiện tƣợng chƣa tới (undershooting) hoặc vƣợt quá
overshooting) đƣờng dẫn dao mong muốn.
- Dụng cụ cắt, đầu kẹp dụng cụ và trục chính phải cân bằng để giảm thiểu hiệu ứng
rung.
- Hệ thống cấp dung dịch trơn nguội tạo áp suất và cƣờng độ lớn hơn trong gia công
thông thƣờng.
- Hệ thống điều khiển phoi và tách phoi phải có khả năng làm việc với tốc độ bóc
tách kim loại lớn trong gia cơng cao tốc.
Vật liệu dụng cụ cắt cũng là rất quan trọng có nhiều loại vật liệu dụng cụ cắt đƣợc
sử dụng cho gia công cao tốc và những vật liệu này sẽ đƣợc nghiên cứu kỹ hơn trong phần
1.2 của chƣơng này.
Trong gia cơng nói chung và gia cơng cao tốc nói riêng có rất nhiều thơng số ảnh
hƣởng trong q trình gia cơng. Tuy vậy, so với gia cơng truyền thống thì gia cơng cao tốc
có những ƣu điểm nổi bật. Nó có thể làm giảm thời gian gia cơng đến 90% và giảm đến
50% chi phí gia cơng, tùy trƣờng hợp. Một số ƣu điểm khác của gia công cao tốc nhƣ sau:
- Tốc độ bóc vật liệu cao.
- Chất lƣợng bề mặt gia cơng tốt.
- Độ chính xác hình dáng cao.
- Có khả năng gia cơng đƣợc các gân mỏng.
- Giảm việc tạo bavia.
- Tránh gây hƣ hại bề mặt gia cơng.
- So sánh khả năng bóc vật liệu, độ nhám bề mặt gia cơng và thời gian đánh bóng
1-Năng suất bóc tách vật liệu (cm3/phút)
2-Độ nhám bề mặt Ra (m)
3-Thời gian đánh bóng (giờ)

Phay truyền thống dao phay cầu
D=20mm, ap=0,8mm, v=100 (m/phút),
fz=0,1 (mm/răng)
Phay cao tốc dao phay cầu D=20mm,
ap=0,2mm, v=900 (m/phút), fz=0,05
(mm/răng)

Hình 1.5 So sánh khả năng bóc tách vật liệu phay truyền thống và phay cao tốc [46]
của phƣơng pháp phay truyền thống và phay cao tốc[46].
Theo Vaughn gia cơng cao tốc (HSM) phụ thuộc vào kích cỡ kiểu máy gia công,
công suất khác nhau, dụng cụ cắt sử dụng, vật liệu gia công, phƣơng pháp gia công, tốc độ

18


cắt, lƣợng chạy dao, chiều sâu cắt... Vì vậy việc định nghĩa về HSM phụ thuộc vào kỹ
thuật hiện hành và điều kiện cụ thể cho từng máy [17]. Gia cơng tốc độ cao vật liệu cứng
có khác biệt đáng kể so với phƣơng pháp gia công truyền thống vật liệu mềm.

1.2. Dụng cụ cắt sử dụng trong gia công cao tốc
Trong gia cơng cao tốc thì sự mịn của dụng cụ cắt là vấn đề rất cần quan tâm
nghiên cứu vì nó quyết định đến hiệu quả kinh tế kỹ thuật của phay cao tốc (dụng cắt rấ đắt
tiền). Trong q trình gia cơng cao tốc vấn đề này đƣợc nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu
và chủ yếu là mịn mặt sau của dụng cụ cắt (VB).

VB

Hình 1.6 Kiểu mịn trên dao phay ngón [23]

(Mịn mặt sau)
(Mịn ở tâm)

Hình 1.7 Kiểu mịn dao phay cầu trong phay cao tốc[51]
Ngồi ra, vật liệu dụng cụ cắt có ảnh hƣởng quan trọng đến độ nhám bề mặt. Trong
số dụng cụ cắt đƣợc dùng gia công vật đúc và thép hợp kim vật liệu dụng cụ cacbit là loại
vật liệu dụng cụ cắt phổ biến nhất. Dụng cụ cắt trong phay cao tốc có tuổi thọ ngắn nhất là
cacbit khơng phủ, tuy nhiên nó có thể áp dụng cho gia cơng vật liệu mềm. Những dụng cụ
cacbit có độ dẻo dai cao nhƣng độ cứng kém hơn so với những vật liệu cao cấp nhƣ Cacbit
nitril bo (CBN) và gốm sứ. Để cải thiện độ cứng dụng cụ cắt cacbit đƣợc phủ lên với lớp

19


mạ cứng nhƣ TiN, TiAlN, TiCN và mới đây với phủ 2 lớp phủ mềm nhƣ MOVIC. Do đó
dụng cụ sẽ mịn ít hơn và vì vậy tuổi bền dụng cụ cắt đƣợc tăng lên.

Tuổi bền của lƣỡi cắt(Phút)

Theo một vài thí nghiệm đã chứng minh cho một số loại vật liệu dụng cụ sử dụng
trong gia công cao tốc nhƣ TiN, TiCN, TiAIN độ mòn thấp khi cắt với tốc độ lớn[27].

Tốc độ cắt (m/p)

Hình 1.8 Ảnh hưởng của các lớp phủ vật liệu dụng cụ cắt khác nhau
lên tuổi bền của dụng cụ cắt[27]
Vật liệu dụng cụ cắt khác đƣợc dùng; gốm, sứ (AlO, SiN), gốm kim loại và kim
cƣơng đa tinh thể (PCD).
Nói chung, dụng cụ có đƣờng kính hạn chế từ 12 đến 38 mm, dụng cụ gắn cacbit
với lớp phủ TiCN thì đủ cho vật liệu có độ cứng nhỏ hơn 42 HRC, trong khi phủ AlTiN

đƣợc sử dụng cho vật liệu 42 HRC và lớn hơn. Tuy nhiên, phụ thuộc vào ứng dụng, vật
liệu và lớp phủ cho hiệu quả tốt nhất khác nhau. Những thuộc tính vật liệu dụng cụ cắt
đƣợc ứng dụng cắt cao tốc cho những vật liệu dụng cụ và lớp phủ có thể đƣợc phân loại
nhƣ: CBN và SiN cho gang, TiN và TiCN phủ lên cacbit cho hợp kim thép dƣới 42 HRC
và TiN và TiCN phủ lên cacbit cho hợp kim tôi luyện tới 42 HRC, TiAlN và AlTiN phủ
lên cácbit cho hợp kim thép tôi luyện 42 HRC và độ cứng lớn hơn. Những ứng dụng đặc
biệt, khó khăn khi tiện (HRC6065), PCBN gắn vào lƣỡi cắt thích hợp cũng đƣợc sử dụng
thành cơng. Ngồi ra hầu hết hình dáng hình học của dụng cụ cắt đều có thể dùng trong
gia cơng cao tốc. Tuy vậy, theo hãng dụng cụ cắt (Seco, Sanvik...) trong hầu hết các trƣờng
hợp, mảnh hợp kim dùng trong gia công tốc độ cao thƣờng có góc trƣớc âm. Góc trƣớc âm
tạo điều kiện cắt gọt cho lƣỡi cắt tốt vì tốc độ cắt cao, chiều sâu cắt nhỏ và lực cắt tập trung
ở vị trí đó. Tuy nhiên, khi thực hiện doa lỗ thì góc trƣớc dƣơng là tốt nhất. Để đảm bảo
lƣỡi cắt khơng bị mẻ trong q trình gia công tốc độ cao trên mảnh hợp kim ngƣời ta
thƣờng vát mép các lƣỡi cắt hoặc bo tròn tăng tuổi bền dụng cụ cắt.

1.3. Sự hình thành phoi trong quá trình gia cơng
Với nhiều thí nghiệm trên hợp kim nhơm với nhiều vận tốc cắt khác nhau (từ
20÷260 m/s). Reza Yousefi và Yoshio Ichida đã chỉ ra rằng bề ngoài phoi thay đổi từ phoi
dây dài đến dải bị nhàu khi tăng vận tốc cắt. Khi vận tốc cắt tăng trên 200 m/s thì phoi sẽ
bị nhàu vì chúng rất mỏng.

20


Hình 1.9 Phoi sinh ra từ những vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vịng, t = 100µm)[50]
Từ sự quan sát phoi thoát ra, cũng dễ nhận thấy rằng bề dày của phoi cũng thay đổi
khi tăng vận tốc cắt. Trong khoảng vận tốc cắt v = (100÷200) m/s, bề dày phoi sẽ giảm, rồi
sau đó sẽ tăng lại khi tăng v.

Chiều rộng phoi (mm)

Những thí nghiệm khác của các tác giả S.Dolinsek, S.Ekinovic, J.Kopac trên thép
cứng trong gia công cao tốc đã cho những kết quả sau đây:

Tốc độ cắt (m/s)

Độ cứng ban đầu

Độ cứng phơi, HV

Hình 1.10 Chiều rộng phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vịng, t = 100µm)[50]

Miền cao tốc

Miền tốc độ thơng thƣờng
Tốc độ cắt (m/phút)

Hình 1.11 Hình thái của phoi nhận được trong vùng gia công thông thường và gia công
cao tốc[50]

21


Phần biến dạng gần 62% vùng mặt cắt phoi
bị bẻ gãy độ cứng 756 HV

Phần không bị biến dạng gần 38% vùng mặt
cắt phoi bị bẻ gãy độ cứng 632 HV

Tần số bẻ phoi 3,84kHz.

a)Tốc độ cắt v=150(m/p)
Phần biến dạng gần 40% vùng mặt cắt phoi
bị bẻ gãy độ cứng 742 HV

Phần không bị biến dạng gần 60% vùng mặt
cắt phoi bị bẻ gãy độ cứng 640 HV
Tần số bẻ phoi 15,6 kHz.
b)Tốc độ cắt v=300(m/p)
Phần biến dạng gần 33% vùng mặt cắt phoi
bị bẻ gãy độ cứng 720 HV

Phần không bị biến dạng gần 67% vùng mặt
cắt phoi bị bẻ gãy độ cứng 618 HV

Tần số bẻ phoi 100,6 kHz.

c)Tốc độ cắt v=1500(m/p)

Hình 1.12 Mặt cắt của quá trình hình thành phoi trong gia cơng khi cắt tại: a, vận tốc
cắt v = 150 m/phút; b, v = 300 m/phút; c, v = 1500 m/phút[50]
Khi tốc độ cắt vc = 50 m/phút, cấu trúc tế vi của vật liệu phụ thuộc vào loại biến
dạng cổ điển với việc tinh thể kim loại bị giãn dài đồng đều. Nhƣng với sự xuất hiện của
vùng trắng ở mặt trong của phoi. Đó là hậu quả của hóa mềm của vật liệu vì nhiệt. Độ cứng
tế vi trung bình là 660 HV, nó có mối liên hệ với độ cứng tế vi ban đầu của vật liệu
(629HV), chứng tỏ rằng biến dạng ở mức thấp[50].
Tại vận tốc cắt v = 150 m/phút, dạng phoi xếp với kiểu dáng hình răng cƣa (hình
1.12a). ta nhìn thấy rõ vùng trắng ở cả mặt trong của phoi và giữa các răng cƣa. Do đó sự
xuất hiện của hóa mềm vì nhiệt và biến dạng xảy ra. Độ cứng tế vi của vùng trắng này là
756 HV. Tuy nhiên, bên trong vùng không biến dạng của phoi thì độ cứng tế vi chỉ có 632
HV, nó chỉ ra hồn tồn khơng có sự biến dạng tại đây so với tình trạng vật liệu ban

đầu.Nhƣ vậy trung bình là 62% diện tích phoi xếp bị biến dạng[50].
Khi v = 300 m/phút, phoi phân đoạn rõ hơn, với bề dày mỏng và kích thƣớc bé hơn
so với 2 dạng phoi tại 2 vận tốc cắt đã đề cập trƣớc. Do đó bề dày của vùng trắng nhỏ đi và
độ cứng tế vi trung bình đạt 742 HV. Tại bên trong phoi thì độ cứng là 640 HV. Ở trƣờng
hợp này, trung bình khoảng 40% diện tích phoi xếp bị biến dạng[50].
Tại v = 1500 m/phút, sự phân đoạn của phoi rất rõ ràng, với bề dày mỏng và độ lớn
nhỏ. Bề dày của vùng trắng nhỏ đi so với khi vận tốc thấp hơn. Độ cứng tế vi là 720 HV,
cịn bên trong thì đạt 618 HV. Cuối cùng, trung bình khoảng 33% diện tích phoi xếp bị
biến dạng.

22


Lƣợng biến dạng phoi bị
bẻ gãy %

Tần số bẻ phoi kHz

Tốc độ cắt v(m/phút)

Tốc độ cắt v(m/phút)

Hình 1.13 Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng khi thay đổi vận tốc
cắt[50].

1.4. Lực cắt và nhiệt cắt trong q trình gia cơng cao tốc
Trong q trình gia công cao tốc ảnh hƣởng thông số chế độ cắt đến lực cắt tuân
theo quy luật nhƣ quá trình gia công truyền thống. Lực cắt tăng tỷ lệ thuận với với chiều
sâu cắt vì khi đó tiết diện cắt trung bình tăng lên. Khi tăng lƣợng chạy dao thì lực cắt tăng
lên trong q trình gia cơng. Cịn khi vận tốc cắt tăng thì lực cắt giảm đi.

Một số chuyên gia đang dần hƣớng đến sự xác định rằng HSC xảy ra trong các
trƣờng hợp, khi giá trị nhiệt độ trung bình của quá trình cắt gần với nhiệt độ nóng chảy của
vật liệu gia cơng. Trong thực tế,có những quan điểm rằng cắt tốc độ cao xảy ra ở những
khu vực 600 đến 1800 m/phút và gia công siêu tốc ở tốc độ trên 1800 m/phút. Trong
trƣờng hợp vật liệu khó gia cơng, nhƣ hợp chất của nicken và titan phù hợp với khả năng
công nghệ gia công cao tốc.
Theo qui luật chế tạo ra sản phẩm việc bóc tách kim loại, hiệu quả xảy ra chỉ vào
những thời điểm khi vật liệu cắt đặt trong nhiệt độ thích hợp. Khi tăng tốc độ cắt, tổng
nhiệt lƣợng cũng tăng gần nhƣ tỉ lệ trực tiếp với việc tăng tốc độ bóc tách phoi và cƣờng
độ ma sát của phoi lên dụng cụ.
Nhiệt độ của phoi thay đổi đột ngột, từng bƣớc, do sự biến dạng dẻo của phoi trong
mặt phẳng cắt và tăng thêm ma sát của phoi lên mặt trƣớc của dụng cụ. Các nguyên tắc của
tiến trình cắt HSC có thể đƣợc giải thích khi so sánh với gia cơng truyền thống theo nhƣ
hình 1.14 [25].

a)

b)

Gia cơng truyền thống

Gia cơng cao tốc

Hình 1.14 So sánh nhiệt trong q trình gia cơng truyền thống và gia cơng cao tốc[25]
Gia công cao tốc đƣợc thực hiện bởi những dụng cụ cắt đƣợc chế tạo từ những vật
liệu cứng, có lớp phủ, độ cứng vững cao và chịu nhiệt tốt, quá trình cắt diễn ra trong điều
kiện nhiệt độ phoi gần với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia cơng. Tới một tốc độ cắt gọt
nhất định, có sự thay đổi đột ngột trong tính chất cơ, lý hoá của phoi, làm giảm áp lực của

23