ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: NGHIÊN CỨU MIỀN ỔN ĐỊNH TRONG QUÁ TRÌNH PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO BẰNG VÀ TIÊU CHÍ RUNG ĐỘNG VÀ ÂM THANH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : TS.Phan Văn Hiếu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MƠN HÌNH HỌA-VẼ KỸ THUẬT

----o0o----

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU MIỀN ỔN ĐỊNH TRONG Q TRÌNH PHAY CNC
TỐC ĐỘ CAO BẰNG TIÊU CHÍ RUNG ĐỘNG VÀ ÂM THANH

Giảng viên hướng dẫn:

TS. PHAN VĂN HIẾU

Giáo viên duyệt:

ThS.HỒNG LONG

Nhóm sinh viên thực hiện

Số hiệu sinh viên

Lớp

VŨ VĂN CHIẾN

20100086

KTCK3-K55

NGUYỄN VĂN THỊNH

20100680

KTCK2-K55

Hà Nội, 06/2015

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI
----o0o----

GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP-TỰ DO-HẠNH PHÚC
----o0o----

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nhóm sinh viên thực hiện :
VŨ VĂN CHIẾN

NGUYỄN VĂN THỊNH
1. Đề tài tốt nghiệp:

KTCK3-K55
KTCK2-K55

SHSV : 20100086
SHSV : 20100680

NGHIÊN CỨU MIỀN ỔN ĐỊNH TRONG QUÁ TRÌNH PHAY CNC TỐC ĐỘ
CAO BẰNG TIÊU CHÍ RUNG ĐỘNG VÀ ÂM THANH.
2.

Nội dung các phần thuyết minh:

Chương 1: Giới thiệu về ổn định khi phay CNC tốc độ cao.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về quá trình phay CNC tốc độ cao.
Chương 3: Rung động trong quá trình phay CNC tốc độ cao.
Chương 4: Âm thanh trong quá trình phay CNC tốc độ cao.
Chương 5: Mơ hình thực nghiệm đo rung động và âm thanh trong quá trình
phay CNC tốc độ cao.
Kết luận – Kiến nghị
3.
4.
5.

Họ và tên cán bộ hướng dẫn : TS. Phan Văn Hiếu
Ngày giao nhiệm vụ :…………………………………………………….
Ngày hoàn thành nhiệm vụ :……………………………………………
Ngày….Tháng….Năm 2015

Chủ nhiệm bộ môn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Cán bộ hướng dẫn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI
----o0o----

GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
ĐỘC LẬP-TỰ DO-HẠNH PHÚC
----o0o----

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nhóm sinh viên thực hiện :
VŨ VĂN CHIẾN
NGUYỄN VĂN THỊNH

KTCK3-K55
KTCK2-K55

SHSV : 20100086
SHSV : 20100680

Giảng viên hướng dẫn : TS. Phan Văn Hiếu
Giảng viên duyệt :
1.

ThS.Hoàng Long

Nhận xét của Giảng viên hướng dẫn :

……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.…………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
……………..….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.……………………………………………..

………………………………………….
…………………………………………….
………………………………………….…………………………………………..
……………………………………………..……………………………………….
…..…………………………………………….……………………………………

Đánh giá kết quả

Ngày….tháng…năm 2015
Giảng viên hướng dẫn

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2.

GVHD : TS.Phan Văn Hiếu

Nhận xét của Giảng viên duyệt :

……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………….

……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
.
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
Đánh giá kết quả

Ngày…tháng…năm 2015

Giảng viên duyệt

MỤC LỤC
Lời nói đầu............................................................................................................ 1
Chương 1: Giới thiệu chung về gia công phay CNC tốc độ cao ..........................2
1.1. Giới thiệu về gia công phay CNC tốc độ cao.................................................2
1.1.1. Khái niệm ...................................................................................................2
1.1.2. So sánh phay CNC tốc độ cao với phay truyền thống.................................2
1.1.3. Ứng dụng ....................................................................................................5
1.2. Khái niệm ổn định..........................................................................................5
1.2.1. Khái niệm về ổn định và mất ổn định trong quá trình phay........................5
1.2.2. Biểu đồ ổn định...........................................................................................7
1.2.3. Nguyên nhân gây mất ổn đinh.....................................................................8
1.2.4 .Các dạng mất ổn định của quá trình cắt....................................................13
1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quá trình cắt.......................................15
1.2.6. Các biện pháp nâng cao ổn định của quá trình cắt....................................16
1.3.Kết luận.........................................................................................................21
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình phay CNC tốc độ cao.........................22
2.1. Máy và kết cấu máy phay CNC tốc độ cao..................................................22
2.1.1.Yêu cầu chung............................................................................................22
SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
2.1.2.Các kết cấu máy phay CNC tốc độ cao......................................................22
2.1.3.Máy phay CNC tốc độ cao thường dùng....................................................28
2.2.Dụng cụ cắt....................................................................................................31
2.3.Q trình tạo phoi..........................................................................................34
2.4.Mơ hình lực cắt khi phay CNC tốc độ cao....................................................38

2.4.1.Các thông số quỹ đạo cắt............................................................................38
2.4.2.Nghiên cứu hệ thống lực cắt khi phay CNC tốc độ cao.............................40
2.5. Rung động khi phay CNC tốc độ cao...........................................................45
2.6. Âm thanh khi phay CNC tốc độ cao.............................................................46
2.7.Các phương pháp nghiên cứu ổn định trong quá trình phay CN tốc độ cao
.............................................................................................................................47
2.7.1.Phương pháp phân tích...............................................................................47
2.7.2.Phương pháp số..........................................................................................51
2.8.Kết luận.........................................................................................................53
Chương 3: Rung động trong quá trình phay CNC tốc độ cao …………………54
3.1. Đặt vấn đề.....................................................................................................54
3.2. Khái niệm về rung động trong quá trình phay CNC tốc độ cao...................54
3.3. Các loại rung động........................................................................................55
3.4. Các thơng số của rung động.........................................................................55
3.5. Phân tích ảnh hưởng của rung động trong quá trình phay CNC
tốc độ cao............................................................................................................57
3.6. Thực ngiệm phương pháp gõ thử taptest......................................................61
3.6.1. Kết quả đo..................................................................................................62
3.6.2. Kết quả của quá trình đa rung động...........................................................62
3.6.3. Xử lý số liệu và tính tốn..........................................................................63
3.7. Lập trình mơ phỏng bằng Matlab.................................................................64
3.7.1. Mơ tả chương trình thơng số cơ bản của rung động..................................64
3.7.2. Kết quả tính biểu đồ ổn định.....................................................................66

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
3.7.3. Kết quả tính rung động và lực cắt..............................................................67

3.8. Q trình phát triển rung động.....................................................................72
3.8.1. Khi ở chế độ ổn định.................................................................................72
3.8.2. Khi bắt đầu mất ổn định............................................................................72
3.8.3. Khi mất ổn định hoàn toàn........................................................................73
3.9. Các thơng số ảnh hưởng đến tính ổn định....................................................74
3.9.1. Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn................................................................74
3.9.2. Ảnh hưởng của tần số dao động tự nhiên..................................................75
3.9.3. Ảnh hưởng của số răng cắt........................................................................76
3.10. Kết luận......................................................................................................78
Chương 4: Âm thanh trong quá trình phay CNC tốc độ cao...............................79
4.1. Định nghĩa về âm thanh................................................................................79
4.2. Phân loại âm thanh.......................................................................................79
4.3. Các đặc tính vật lý của âm thanh..................................................................79
4.3.1. Tần số âm...................................................................................................79
4.3.2. Cường độ âm.............................................................................................79
4.3.3. Mức cường độ âm......................................................................................79
4.3.4. Đồ thị giao động của âm và phổ âm..........................................................80
4.4. Nghiên cứu về âm thanh trong quá trình phay CNC tốc độ cao...................80
4.4.1. Nguồn sinh âm thanh trong quá trình phay...............................................80
4.4.2. Mơ hình lực cắt trong q trình phay........................................................81
4.4.3 Nghiên cứu mơ hình thực nghiệm xây dựng miền ổn định........................82
4.4.4. Quá trình tiến hành thực nghiệm xây dựng miền ổn định trên máy
phay tốc độ cao HS453........................................................................................90
4.5. Kết luận........................................................................................................96
Chương 5: Mơ hình đo rung động và âm thanh trong q trình phay CNC
tốc độ cao.............................................................................................................98
5.1. Xây dựng mơ hình thực nghiệm...................................................................98

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
5.1.1 Đầu đo........................................................................................................98
5.1.2 Bộ khuếch đại...........................................................................................101
5.1.3. Thiết bị xử lý và hiển thị.........................................................................101
5.1.4. Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo rung............................................101
5.1.5. Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo âm thanh (microphone)..............102
5.2. Phân tích và thiết kế mơ hình thí nghiệm...................................................103
5.3. Chuẩn bị và tiến hành thí nghiệm...............................................................105
5.3.1.Các thiết bị dùng trong thí nghiệm...........................................................105
5.3.2 Tiến hành thí nghiệm................................................................................110
5.3.3. Thiết lập, cài đặt các thiết bị đo...............................................................111
5.4. Kết luận......................................................................................................125
Kết luận và kiến nghị.........................................................................................126
Phụ lục...............................................................................................................127
Tài liệu tham khảo ............................................................................................138

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : TS.Phan Văn Hiếu

Lời nói đầu
Việc nghiên cứu động lực học của máy cũng như dao động trong q trình
gia cơng ngày càng đóng vai trị quan trọng trong q trình gia cơng. Đặc biệt khi
có sự xuất hiện của máy gia công tốc độ cao, các máy gia cơng chính xác. Nó ảnh
hưởng đến tốc độ gia công kim loại, chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác khi

gia ơng. Mặc dù nó có ảnh hưởng lớn đến q trình gia cơng nhưng trong một
thời gian dài trước đây, việc nghiên cứu dao động khi gia công đã chưa được quan
tâm nhiều. Chủ yếu ta vẫn chọn các chế độ cắt dựa trên các sổ tay gia cơng, theo
kinh nghiệm trước đó. Ngày nay với các yêu cầu đòi hỏi về chất lượng cũng như
năng suất việc nghiên cứu động lực học máy cũng như dao động trong q trình
gia cơng là rất cần thiết.
Hiểu được tầm quan trọng trong việc nghiên cứu dao động trong q trình
gia cơng và được sự hướng dẫn của thầy TS. Phan Văn Hiếu chúng em đã chọn đề
tài nghiên cứu bảo vệ tốt nghiệp là “Nghiên cứu miền ổn định trong quá trình
phay tốc độ cao bằng tiêu chí rung động và âm thanh”. Đề tài nghiên cứu tính
chất động lực học của hệ máy và dao phay, từ đó em tính được rung động của dao
trong suốt q trình gia cơng cũng như các q trình gia công ở các chế độ cắt
khác nhau. Qua nghiên cứu rung động và âm thanh trong quá trình phay sẽ đưa ra
một biểu đồ ổn định chỉ rõ vùng làm việc nào sẽ gây ra quá trình mất ổn định, nhờ
đó ta xác định được chế độ cắt có năng suất cao nhất mà dao vẫn ổn định, chất
lượng chi tiết gia công vẫn cao. Em cũng đưa ra các phương hướng phát triển để
đưa vào thực tế sản xuất.
Cuối cùng em xin cám ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của
thầy giáo TS. Phan Văn Hiếu, người đã thay đổi cả cách nghĩ và cách làm của
em, em xin bày tỏ sự biết ơn đến tập thể giáo viên bộ mơn Hình họa – Vẽ kỹ thuật
đã tạo điều kiện tốt nhất để em thực hiện đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY
CNC TỐC ĐỘ CAO
10

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
1.1 Giới thiệu chung về gia công phay CNC tốc độ cao
1.1.1.Khái niệm
Hiện nay gia công tốc độ cao (High Speed Machainin-HSM) được xem là
một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy. Thực ra gia công tốc độ
cao không mới nó được thực hiện cách đây hơn 30 năm . Gần đây với sự phát
triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những công nghệ liên quan
như máy tính , dụng cụ cắt, máy cơng cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM,
thì gia cơng cao tốc ngày càng được quan tâm hơn. Các ứng dụng chủ yếu thúc
đẩy công nghệ theo hướng gia công cao tốc là
-

Chế tạo khuôn mẫu.
Chế tạo các chi tiết ngành ô tô
Gia công chi tiết ngành hang không
Chế tạo những chi tiết nhỏ địi hỏi độ chính xác cao

Hình 1.1 Máy phay CNC HS 453
Hình 1.1 là máy gia cơng tốc độ cao (HS 453) Tốc độ trục chính:
Model HS 453: 15000 vòng/phút / Model HS 453U: 24 000 vòng / phút.
Trong một số trường hợp người ta cũng có thể sử dụng máy truyền thống
để gia công tốc độ cao.
Rất khó để nêu lên định nghĩa chung về gia cơng tốc độ cao. Tốc độ gia
cơng thì rất cụ thể cho từng ứng dụng. Ví dụ gia cơng tốc độ cao khi gia công
thép vào khoảng 800m/ph nhưng giá trị này vẫ chưa phải là giá trị tốc độ gia
công khi gia cơng gang. Nói chung để định nghĩa gia công tốc độ cao cần
dựa vào các yếu tố sau:
11

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Tốc độ cắt cao
- Tốc độ quay trục chính cao
- Lượng chạy dao cao
- Năng suất cao
- Độ chính xác cao

GVHD : TS.Phan Văn Hiếu

Tốt nhất là nói rằng gia cơng tốc độ cao có nghĩa là cắt gọt vật liệu nhanh
hơn bình thường cho những cơng đoạn cụ thể.
Ngồi các yếu tố khác như chế độ gia cơng, vật liệu dụng cụ cắt cũng có
ảnh hưởng rất lớn đến q trình gia cơng tốc độ cao. Dải tốc độ cắt trong gia
công tốc độ cao cho các vật liệu khác nhau được trình bày:

Hình 1.2 Vùng tốc độ gia công của một số vật liệu

1.1.2 So sánh phay tốc độ cao với phay truyền thống
Gia cơng tốc độ cao vật liệu cứng có những khác biệt đáng kể so với gia công
truyền thống vật liệu mềm. Bởi vậy vật liệu trong gia công tốc độ cao có độ
cứng cao hơn lên lực cắt sinh ra khi gia cơng tốc độ cao cũng lớn hơn. Vì thế
lượng ăn dao khi gia công tốc độ cao phải được giới hạn. Trong hầu hết các
trường hợp, mảnh hợp kim dùng trong gia cơng tốc độ cao phải có góc trước âm.
Góc trước âm tạo điều kiện cắt gọt tốt cho lưỡi cắt vì tốc độ càng cao, chiều sâu
cắt tương đối nhỏ và lực cắt tập chung ở đó. Tuy nhiên, đơi khi doa lỗ thì góc
trước dương là tốt nhất. Tương tự như vậy để bảo vệ lưỡi cắt không bị mẻ, trên
mảnh hợp kim người ta vát mép các lưỡi cắt hoặc bo tròn.

12

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
Gia công thông thường bị giới hạn bởi độ cứng của vật liệu, trong khi đó dải
vật liệu được gia cơng bằng gia công tốc độ cao không hạn chế ngay cả đối với
thép rèn đã tơi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites.Việc hợp khim stellites
có thể gia cơng bằng gia công tốc độ cao đã mở ra khả năng của gia công tốc độ
cao kể cả công việc sửa chữa.
Nhiệt sinh ra trong vùng cắt gọt gia công tốc độ cao khá cao, có thể lên đến
930 độ C và vì thơng thường người ta gia cơng tốc độ cao mà không dùng dung
dịch bôi trơn nguội nên bề mặt gia cơng tốc độ cao có thể bị hư hại do nhiệt. Cấu
trúc vi mô của lớp bề mặt bị thay đổi và tồn tại ứng suất dư trên lớp bề mặt.
Bảng 1.1.So sánh gia công tốc độ cao và gia công thường
Các thông số

Gia công thường

Gia công tốc độ cao

Tốc độ trục chính(Vg/ph)

4000

8000-50000

Tốc độ chạy dao trên các

trục (mm/ph)

10000

2500-60000

Tốc độ chạy dao
nhanh(mm/ph)

20000

20000-60000

Gia tốc (g)

-

0.5-2.0

Gia công tốc độ cao có nhiều ưu điểm so với gia cơng truyền thống, một vài
ưu điểm đó là kết quả trực tiếp của cách bóc vật liệu gia cơng tốc độ cao . Ưu
điểm đáng kể nhất của gia công tốc độ cao là có thể dùng cùng một dụng cụ mà
vẫn có thể gia cơng được nhiều chi tiết có các hình dáng khác nhau bằng cách
thay đổi đường chạy dao. Ngoài những ưu điểm đã nêu ở phần trên , việc áp
dụng công nghệ gia công tốc độ cao để gia cơng lần cuối các chi tiết cong lại có
những lợi ích sau:
-

Giảm thời gian chu kì gia cơng một sản phẩm.
Giảm chi phí đầu tư thiết bị.

Tăng độ chính xác.
Đạt độ bang bề mặt cao.
Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2-4 lần), nâng cao năng suất gia
công.

1.1.3.Ứng dụng
13

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
Phay cao tốc hợp kim nhôm nổi tiếng nhất và đượcứng dụng rộng rãi trong
ngành công nghiệp hang không vũ trụ trong những thập kỉ vừa qua . Gần đây gia
công tốc độ cao cịn ứng dụng trong việc gai cơng các loại vật liệu cứng, gia
công sản xuất khuôn mẫu, khuôn đúc. Vật liệu gia công chop hay tốc độ cao
thường là Gang ,D2(59HRC),thepsP20(30HRC)…. Các gang hợp kim với gác
GM đặc biệt GM241 210HB chủ yếu sử dụng cho sản xuất khuon dập.Thép p20
dùng phổ biến nhất cho khuôn thổi . Do có thành phần cacbon thấp, nó thường
được gia cơng trước trạng thái tơi (30HRC) rồi sau đó mới toi cứng đến 50-55
HRCtrong khuôn cứng làm việc ở nhiệt độ cao, thường dùng thép khuôn H13
được gia công ở độ cứng đến 46HRC.
1.2

Khái niệm ổn định

1.2.1.Khái niệm về ổn định và mất ổn định trong quá trình phay
Trong quá trình gia cơng cắt gọt muốn đạt được độ chính xác , độ bóng bề
mặt cao và tuổi bền của dụng cụ cắt cao điều quan trọng là hệ thống công nghệ

không được rung động hoặc rung động trong giới hạn cho phép . Trong thực tế
gia cơng khơng có hệ thống cơng nghệ trong q trình cắt gọt mà khơng xảy ra
hiện tượng rung động ,nó ln tồn tại cùng q trình cắt gọt .Trong q trình gia
cơng rung động phát sinh , phát triển gây mất ổn định trong quá trình gia cơng
và ảnh hưởng tới độ chính xác ,chất lượng bề mặt và tuổi thọ của dụng cụ cắt .
Q trình cắt với các chuyển động cắt đều có thể coi như có động học qn
tính.Trạng thái qn tính hay đứng yên tương đối chỉ có thể phá vỡ khi tác động
một lực tuần hồn nhất định. Chính lực này gây ra sự dao động của hệ thống
công nghệ đàn hồi và tắt dần.
Ổn định trong quá trình cắt đã được David A.Stephenson và John-Agapiu
định nghĩa như sau:
-

-

Một quá trình cắt được gọi là mất ổn định khi suất hiện rung động ngày
càng tăng , khi đó dụng cụ cắt có thể rung đọng với biên độ ngày càng
tăng , hoặc rời xa vị trí cân bằng cho đến một giới hạn xác định.
Một quá trình cắt được gọi là ổn định khi dụng cụ cắt bị kích thích sẽ tiến
đến mọt vị trí cân bằng dưới dạng dao động tắt dần hoặc tiến đến một mức
dao động nào đó ít hơn.

Một hệ thống được gọi là mất ổn định tĩnh học nếu nguyên nhân gây ra rung
động là những lực kích thích phụ thuộc vào vị trí
- Một hệ thống được gọi là mất ổn định tĩnh học nếu nguyên nhân gây ra rung
động là những lực kích thích phụ thuộc vào vận tốc.
14

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
Rung động của hệ thống là một hiện tượng kèm theo thông thường trong q
trình làm việc của máy cơng nghiệp và nó có thể là nguyên nhân rất lớn làm
giảm các chi tiêu kinh tế và chất lượng trong quá trình gia cơng. Rung động có
thể gây ra các hậu quả sau đây:
-

-

Không cho phép sử dụng hết công suất của máy hoặc khả năng căt của
dụng cụ.
Phá hủy cơ học dụng cụ(gãy răng dụng cụ có nhiều lưỡi cắt) hoặc một số
chi tiết máy; các lực động học xuất hiện khi dao động hệ thống tăng ứng
suất cho các chi tiết chịu tải của dụng cụ và máy móc.
Tăng độ nguy hiểm phá hủy cơ học của lưỡi cắt dụng cụ, đặc biệt với các
dụng cụ kém giòn(hợp kim cứng, gốm…)

Giảm độ chính xác hình học cũng như độ nhấp nhơ bề mặt của chi tiết gia
công, đặc biệt đối với các nguyên công gia công tinh. Gây ồn cho môi trường
làm việc.

Hình 1.3.a Biểu diễn chế độ gia cơng ổn định , vì biểu đồ theo phương Z là hội
tụ
Hình 1.3.b Biểu diễn chế độ gia công không ổn định , vì biểu đồ theo phương Z
là phân kỳ.

15

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : TS.Phan Văn Hiếu

a. Quá trình phay ồn định

b. Quá trình phay mất ồn định
Hình 1.3: Quá trình phay ổn định và mất ổn định
1.2.2 Biểu đồ ổn định
Người ta sử dụng nhiều cách để loại bỏ chatter như:
-

Xác định chế độ cắt tối ưu.
Xác định thông số dao cắt tối ưu.
Tăng độ cứng vững và giảm chấn của hệ thống dao cắt.
Triệt tiêu hoạc giảm bớt dao động .
Sử dụng các biện pháp tản nhiệt khác.

Trong đó phổ biến nhất vẫn là xác định thong số cắt tói ưu bằng biểu đồ ổn
định Tlusty và Tobias đã tạo ra biểu đồ ổn định ( stability lobes đigram) nhằm
xác định những vùng làm việc ổn định khơng có chatter . Biểu đồ 2 là hình dáng
một biểu dồ ổn định mẫu. Biểu đồ này xác định qáu trình cắt có ổn định hay
khơng ổn định dực vào hai thong số là tốc độ cắt và chiều sâu cắt . Nhờ biểu đồ
ổn đinh này mà ta có thể xác đinh chế dộ cắt cho năng suất lớn nhất mà vẫn đảm
16

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
bảo tính ổn định của quá trình cắt . Trước kia khi vẫn cịn phay ở tóc độ tấp thì
vùng ổn định hẹp lên khơng thể nâng cao năng suất cịn bây giờ nhờ việc chọn
chế độ cắt phù hợp mà năng suất tăng lên rất nhiều.

Hình 1.4 Biểu đồ ổn định
1.2.3.Nguyên nhân gây mất ổn định.
Rung động là nguyên nhân gây mất ổn định của quá trình cắt. Rung động
trong quá trình cắt bao gồm rung động cững bức , rung động riêng và tự rung.
a) Rung động riêng.
Rung động riêng trong hệ thống máy - đồ gá – dụng cụchi tiết gia công
hoặc trong một số nút của hệ thống này có va đập. Ví dụ khi đóng li hợp
răng, khi vào khớp của dụng cụ…Phần lớn ảnh hưởng của rung động riêng
trong q trình cắt khơng đáng kể bởi sự dao động này rất nhanh. Nó chỉ có ý
nghĩa khi có liên quan đến việc xác định đặc tính của q trình gia cơng.
Rung động riêng tự duy trì bằng tác dụng của lực đàn hồi. chu kì và tần
số không phụ thuộc vào độ lệch ban đầu và vận tốc ban đầu của phần tử dao
động
Phương trình vi phân chuyển động của dao động riêng có dạng.
(1.1)
Trong đó :

là lực quán tính
là lực cản tỉ lệ vận tốc chuyển động lắc
17

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
là lực đàn hồi tỉ lệ độ lắc

GVHD : TS.Phan Văn Hiếu

b) Rung động cững bức.
Nguyên nhân của loại hình rung động này là các lực tuần hoàn biến đổi theo
thời gian tác động lên hệ thong dao động của máy –đồ gá – dụng cụ -chi tiết gia
cơng.Chúng xuất hiện bên ngồi bộ phận máy hoặc trong cơ cấu chuyển động
của máy( ví dụ phụ thược vào chuyển động của chi tiết hay của dụng cụ).Theo
quan điểm của lực kích động gây lên rung động ta phân làm hai loại nhóm.
-

Lực kích động khơng liên quan đến q trình cắt
Lực kích động có liên quan đến q trình cắt.
• Lực kích động khơng liên quan đến quá trình cắt.
Loại hình dao động cưỡng bức này trong thực tế xuất hiện khá thường
xuyên .Ảnh hưởng của chúng đến quá trình cắt tác động đến chất lượng
nhiều hơn là đến kinh tế.Chúng có thể là do các nguyên nhân sau đây

-

-

Dao động gây ra bởi lực chu kì mà nguồn gốc của nó là các lực va đập
chu kì xuất hiện xung quanh hệ thống máy .Do các chi tiết quay không
cân bằng , các bộ phận chuyển động khơng ăn khớp được chế tạo khơng
chính xác hoặc đã bị mịn, ổ trục chính và sống trượt mịn, hay do tải

trọng phát sinh khi tăng tốc hay khi hãm các bộ phận có khối lượng lớn
Rung động được truyền bởi nền nhà và chuyền qua móng máy
• Lực kích động có liên quan đến q trình cắt.
Loại hình dao động cưỡng bức này có hai dạng

-

-

Dao động gây ra bởi lượng dư gia công không đều.Loại dao động này
xuất hiện nhiều nhất khi gia công các chi tiết đục , rèn hay các bán thành
phẩm khác có biến dạng không đều
Dao động cưỡng bức gây ra bởi đặc điểm điểm làm việc của dụng cụ
cắt.Trường hợp điển hình của loại dao động này là xuất hiện khi răng dao
phay cắt vào và ra khỏi chi tiết gia công. Lực kích động trong trường hợp
này là lực cắt thay đổi có tần số(ta sẽ xem sét kĩ hơn trong phần sau).

Nình chung đặc điểm của rung động cưỡng bức là hệ thống công nghệ sẽ
rung động với tần số trùng với tần số của lực cưỡng bức.Hiện tượng cộng hưởng
tức là hệ thống rung động với biên độ lớn nhất khi tần số của lực kich thước sấp
xỉ hay trùng với tần số dao động riêng của hệ.

18

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
Tuy nhiên ngày nay các máy công nghiệp sử dụng các thông số cơng nghệ rất

lớn, do đó việc ngăng ngừa rung động là hết sức có ý nghĩa. Phần lớn trong các
trường hợp có thể triệt giảm rung động bằng các cách sau:
-

Xây dựng bệ máy đủ độ cứng vững
Loại bỏ sai sót trong truyền trong máy.
Cân bằng tĩnh và cân bằng động các chi tiết quay.
Cân bằng trong vùng cộng hưởng
Giảm tiết diện phôi cắt đảm bảo sự đồng đều của lượng dư cắt.
Sử dụng thiết bị thu giảm rung
Loại trừ hiện tượng cộng hưởng bằng cách bỏ bớt các nguồn gây kích
thích hoặc làm thay đổi tần số kích thích đối với những kích thích có tính
chu kỳ sao cho tần số của nó khơng gần với tần số riêng của hệ thống.

c) Rung động tự rung.
Tự rung khác với rung động cững bức ở chỗ không cần lực tác dụng tuần
hoàn từ bên ngoài. Tự rung xuất hiện và duy trì bằng tác dụng của lực trong quá
trình dao động. lực tuần hoàn mất đi khi dao động biến mất. năng lượng truyền
cho hệ thống dao động thay cho sự mất mát xuất hiện bằng sự tắt dần.
Một đặc trưng khác của dao động tự rung là tần số của nó khơng được xác
ddingj bằng tần số của nguồn lực bên ngồi mà bằng các tính chất của hệ dao
động.Nó rất gần với tần số riêng của một yếu tố điều khiển của hệ.
Theo nguyên nhân xuất hiện dao động thì dao động tự rung trong q trình gia
cơng có thể chia làm 2 nhóm:
-

Do các yếu tố khơng liên quan đến quá trình cắt
Do các yếu tố liên quan trực tiếp đến quá trình cắt.

Rung động tự rung cần điều hịa qua các đặc điểm sau:

-

-

Khơng có lực kích động điều hịa từ bên ngaoif.Các dao động dao bản
than dao lực cắt ây ra.
Điều kiện cắt không xác định tần số dao động mà do độ cứng vững và
khối lượng chi tiết của hệ thống máy _đồ gá_dụng cụ_chi tiết gia công
quyết định.Thông thường tần số dao động khi cắt gần với tần số dao động
riêng của hệ hay của phần tử nào đó
Biên độ dao động trong điều kiện hằng số thì giống nhau nhưng đặc tính
dao động khác với chu trình hình sin.Chuyển động của dao động khơng
thể mơ tả được bằng phương trình vi phân tuyến tính bởi vậy dao động có
đặc điểm là khơng tuyến tính
19

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
- Trong tự rung tồn tại liên kết ngược giữa lực cắt dao chuyển động gây ra
và chuyển động riêng
- Tự rung phục hồi thường xuất hiện dao ma sát của các bề mặt dẫn hướng
của giá đỡ bàn dao và tấm đệm trong các mạch thủy lực hoặc trong các
vùng cắt mà độ cứng vững của các dụng cụ khơng tốt
• Lực kích động khơng liên quan đến q trình cắt
- Dao động phục hồi khi gia công với các tốc độ chạy dao động rất nhỏ.ví
dụ khi tiện hay khoan tinh. Nguyên nhân của dao động này là dao sự thay
đổi độ lớn của hệ số ma sát trên các mặt trươt khi thay đổi giá trị tức thời

của vận tốc chạy dao
- Tự rung cũng xuất hiện khi quá trình gia cơng sử dụng hệ thống chép hình
có liên kết phản hồi
• Lực kích động gây ra bởi q trình cắt
Tự rung mà lực kích động gây ra do chính q trình cắt xuất hiện thường
xun nhất khi gia cơng và nó cũng ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả kinh tế chất
lượng của quá trình này .Thể hiện rõ nét nhất là độ sóng và tiếng ồn.
Tự rung khi gia công chỉ xuất hiện trong miền chế độ cắt nhất định.
Tần số rung được xác định bang số dao động riêng của bọ phận của hệ thống
máy – đồ gá – dụng cụ - chi tiết gia cơng.
Nói chung ta có thể xác định được vùng điều kiện cắt để khơng xuất hiện tự
rung , tức là q trình cắt ổn định.
Sự phụ thuộc của tự rung vào điều kiện cắt trong chừng mực nhất định có thể
điều khiển ổn định của quá trình cắt bằng chọn điều kiện cắt. tất nhiên cần có
kiến thức lý thuyết về quy luật vật lý của tự rung cùng với việc khảo sát thực
nghiệm của các điều kiên cắt riêng biệt đến sự xuất hiện và cường độ của rung
động.
Một điều không dễ dàng khác là máy công cụ là hệ thống dao động phức tạp,
Khối lượng phân bố rắt không đồng đều với độ cứng vững rât khác nhau của
Khi nghiên cứu lý thuyết về quy luật quá trình tự rung khi gia cơng , chúng ta
buộc phải đơn giản hóa rất nhiều đối tượng nghiên cứu trong quá trình cắt khi
gia công dụng cụ phải thay bằng một hệ thống của các khối lượng khơng liên tục
và lị xo có bậc tự dao giới hạn .
Nguyên nhân của tự rung gồm các nguyên nhân sau.
-

Bề mặt lượn sóng của bề mặt gia công (nguyên lý tái hiện).
20

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
- Hướng lực cắt không trùng với hướng liên kết cực đại, tức là hướng phần
pháp tuyến với lưỡi cắt ( nguyên lý liên kết vị trí).
- Hệ số ma sát thay đổi với hệ số chuyển động.
- Sự xuất hiện hiện tượng lẹo dao
- Sự thay đổi của lực ma sát ở mặt trước và mặt sau của dao.
- Sự thay đổi tính dẻo của vật liệu gia cơng trong q trình cắt.
- Sự biến dạng đàn hòi của dụng cụ - chi tiết gia công.
Trong tất cả các nguyên nhân trên thì ngun nhân xuất phát từ ngun lí tái
hiện và liên kết vị trí là quan trọng nhất.
1.2.4. Các dạng mất ổn định của quá trình cắt
1.2.4.1. Mất ổn định do hiệu ứng tái sinh
Quá trình tạo phoi trong những điều kiện bất ổn định do sai lệch của phôi, đồ
gá, dụng cụ cắt hoặc của trục chính …. Sẽ dẫn tới thay đổi của lực cắt.
Sự thay đổi của lực cắt có thể dẫn đến rung động của máy . Rung đông của
máy lại gây ra them sự thay đổi của lực cắt . Sự thay đổi của lực cắt dù rất nhỏ
cũng tạo lên sóng trên mặt gia cơng và do đó gây ra sự thay đổi của chiều dày
cắt . Sự không đều của chiều dày cắt do lần cắt trước để lại (Khi cắt bằng dao cắt
đơn) hoặc do răng cắt trước để lại (khi cắt bằng dao nhiều răng) lại gây ra những
thay đổi khác về lực và do đó gây ra rung đơng.
Lý thuyết dao động tái hiện giả thiết rằng bề mặt gia cơng là lượn sóng .Giả
thiết này ln ln thỏa mãn . Giả thiết theo là chi tiết hoàn toàn cứng vững , hệ
giao động có khối lượng m treo trên lị xo có độ cứng k và độ tắt dần tương đối ,
có một bậc tự do

21

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : TS.Phan Văn Hiếu

Hình 1.5 : Hiệu ứng tái sinh
Trên hình 1.5 hướng của dao động chính X tạo góc với hướng Y vng góc
với mặt cắt . Lực cắt F nghiêng góc so với Y , tốc độ cắt trung bình V, chiều rộng
cắt B. Sự biến đổi chiều dày cắt do sóng trên mặt Y i-1 gây ra cho những lần cắt
tiếp theo phụ thuộc vào độ lệch pha với sóng bề mặt Y i do đó số sóng giữa
những lần cắt sẽ là :
(1.2)
Trong đó
: Số sóng được tính theo số ngun của bước sóng
: phần tử lẻ của bước sóng .
: Pha của sóng bề mặt Y, với sóng bề mặt Yi-1
f

: Là tần số rung

N

: Là số vòng quay.

từ phần I sang phần II dọc theo đường elip, lực căt sinh ra theo hướng ngược lại
với hướng của dụng cụ và năng lượng được lấy từ hệ ra
Để xác định điều kiện cắt giới hạn ổn định của hệ thống cấu trúc máy cơng cụ
và q trình cắt , người ta đưa ra một số giả thiết :

-

Quá trình cắt tiến hành trên mặt phẳng .
22

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
- Cấu trúc của máy công cụ được biểu diễn bằng hệ môt bậc tự do.
- Hệ thống là tuyến tính .
- Hướng của thành phần lực cắt là không là không thay đổi và nằm trong
cùng một mặt phẳng với tốc độ cắt.
- Các thành phần biến đổi của lực cắt chỉ phụ thuộc vào rung động theo
hướng vng góc với bề mặt Y.
1.2.4.2.Mất ổn định do liên kết vị trí.
Một loại rung động tái sinh xuất hiện khi dụng cụ cắt dao động tương đối so
với phơi ít nhất theo hai phương . Loại này xuất hiện ở những hệ được ghép nối
với nhau mà tần số riêng của chúng nằm gần nhau . Tần số riêng của chúng có
ảnh hưởng lẫn nhau . Hệ thống cơng nghệ được mơ hình hóa bằng hai hệ lị xo
khối lượng hai bậc tự do với hai trục X 1 và X2 biểu thị độ mềm dẻo và khối
lượng tổng cộng vng góc .

Hình 1.6 : Mô tả rung động tái sinh
Đặc trưng của dao động : Quỹ đạo dao động của dụng cụ cắt đi theo một
đường elip đóng kín theo chiều mũi tên. Trong suốt chu kì chuyển động của
dụng cụ
1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định trong quá trình cắt
1.2.5.1. Ảnh hưởng của máy

Ảnh hưởng của máy đến ổn định đều quy về độ mềm dẻo động lực học . Độ
mềm dẻo động lực học không phải là hằng số mà là một đại lượng phụ thuộc
vào nhiều yếu tố khác:
23

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
- Ảnh hưởng của móng máy và điều khiển lắp đặt
- Ảnh hưởng của vị trí các chi tiết cấu hành máy
- Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc của máy
1.2.5.2. Ảnh hưởng của vị trí tương đối giữa dụng cụ cắt và phơi
Vị trí tương đối giữa dụng cụ và phơi quyết định hướng của lực cắt lên tùy
thuộc vào từng vị trí tương đối cụ thể mà ảnh hưởng của nó đến tự rung và ổn
định có thể lớn hay nhỏ.
Độ mềm dẻo động lực học của hệ thống gia công phụ thuộc vào tần số và kết
quả của các dao đơngj riêng được kích thích ở một tần số thích hợp. Với các
máy mà một hương cụ thể . Hướng cụ thể đó được xác định với cấu trúc hình
học và phân bố khối lượng của toàn hệ . Độ cứng vững của máy theo các hướng
của hệ tọa độ máy là khác nhau.
1.2.5.3. Ảnh hưởng của phôi và dụng cụ cắt
- Ảnh hưởng của độ mềm dẻo của phôi và kẹp chặt của phơi.
Độ mềm dẻo của phơi có ảnh hưởng lớn đến tự rung và ổn định của q trình
cắt bởi vì biến dạng của phơi gây chuyển vị tương đối giữa dụng cụ và phơi và
đó là nguyên nhân gây đến rung động mất ổn định
-

Ảnh hưởng của độ mềm dẻo của dụng cụ và kẹp chặt dụng cụ.

Độ cứng của dao có ảnh hưởng lớn đến đặc trưng động lực học của quá
trình cắt.

1.2.5.4 Ảnh hưởng của vật liệu gia công
Ảnh hưởng của vật liệu đến rung động và ổn định chính là do tính khơng đồng
đều của vật liệu .Có thể biểu diễn bằng cơng thức:

Trong đó là phần thực hàm truyền đạt trong miền tần số
Độ cứng cắt kdtỉ lệ nghịch với chiều sâu cắt tới hạn T k do đó vật liệu có độ cứng
càng cao thì tự rung và xu thế mất ổn định càng lớn và chiều sâu cắt tới hạn đạt
được càng bé và ngược lại
1.2.6 Các biện pháp nâng cao ổn định của quá trình cắt

24

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD : TS.Phan Văn Hiếu
Việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tự rung và ổn định là cơ sở của các
biện pháp để hạn chế ảnh hưởng của tự rung nhằm nâng cao tính ổn định của
q trình cắt. Các biện pháp có thể quy về ba nhóm sau;
1.2.6.1. Nhóm các biện pháp liên quan đến cấu trúc máy
- Nâng cao độ cứng vững của máy
- Đảm bảo độ cứng vững của móng máy bao gồm cả các giải pháp lắp đặt máy
có tác dụng giảm chấn.
- Lựa chọn vị trí làm việc tối ưu của các bộ phận máy quan trọng như bàn
trượt , cầu ngang, bàn dao.
Thay đổi số vịng quay trục chính để giảm hiệu ứng tái sinh.

-

Nâng cao khả năng giảm chấn của máy.
Dùng biện pháp định hướng sao cho lực cắt vng góc với hướng của
máy có độ mềm dẻo độnglực học lớn nhất.

1.2.6.2. Nhóm các biện pháp liên quan đến phôi và dụng cụ gia công
- Dùng các bộ phận đỡ làm tăng độ cứng vững của chi tiết gia công chẳng hạn
như dùng Luy- nét trên máy tiện…
- Giảm nhỏ trọng lượng của phôi.
- Sử dụng những dao có tác dụng giảm chấn
- Giảm trọng lượng của dụng cụ cắt.
1.2.6.3. Nhóm các biện pháp liên quan đến quá trình cắt
- Lựa chọn những vật liệu gia cơng có lực cắt riêng nhỏ.
- Giảm góc của dao
- Cố gắng sử dụng dao có góc trước <0
- Hạn chế chiều dài tham gia cắt của lưỡi cắt
- Tăng giá trị của bước tiến dao
- Sử dụng tốc độ cắt rất thấp hoặc rất cao để tránh cực tiểu ổn định .
- Với những dụng cụ có nhiều lưỡi cắt thì lên sử dụng những dao có bước răng
phân chia khơng đồng đều .
25

SVTH : Vũ Văn Chiến & Nguyễn Văn Thịnh