Luận văn thạc sĩ nghiên cứu độ nhám bề mặt gia công trên máy tiện cnc khi trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THƢỢNG LÝ

NGHIÊN CỨU ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG TRÊN
MÁY TIỆN CNC KHI TRỤC CHÍNH TRUYỀN ĐỘNG
BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 8.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THƢỢNG LÝ

NGHIÊN CỨU ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG TRÊN
MÁY TIỆN CNC KHI TRỤC CHÍNH TRUYỀN ĐỘNG
BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 8.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY

Đà Nẵng – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................................... 1
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ............................................................................................... 2
III. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................. 2
IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................................... 3
V. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ....................................................................... 3
VI. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................................. 3
VII. CẤU TRÖC LUẬN VĂN ................................................................................................. 3

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT GỌT KIM LOẠI VÀ ĐỘ BĨNG BỀ MẶT
CHI TIẾT GIA CƠNG .................................................................................................4
1.1 Giới thiệu về máy công cụ .................................................................................................. 4
1.1 Lịch sử phát triển của máy công cụ .................................................................................. 8

1.1.1 Các máy tiện CNC là các máy công cụ chủ yếu được dùng để chế tạo các chi tiết
tròn xoay. .........................................................................................................................9
1.1.2 Đặc trƣng cơ bản của máy CNC ................................................................................. 13

1.1.3 Mô hình khái qt của một máy CNC ..................................................................14
1.2 Độ bóng bề mặt chi tiết gia công ..................................................................................... 17

1.2.1. Nghiên cứu về vật liệu dao và chế độ cắt khi gia công trên máy tiện CNC; .....17
1.2.1.1. Vật liệu làm dao. .............................................................................................. 17
1.2.1.2 Dao tiện .............................................................................................................23
1.2.2 Chế độ cắt........................................................................................................................ 26

1.2.2.1 Chiều sâu cắt t (mm) : là lớp kim lọai được ....................................................26
1.2.2.2 Lượng chạy dao s (mm/vòng): .........................................................................27
1.2.2.3 Chọn chế độ cắt khi tiện. ..................................................................................29
1.7.3.1 Sự phá huỷ lưỡi cắt. .........................................................................................29
1.2.3 Các chi tiêu đánh giá về độ nhám bề mặt (chủ yếu nghiên cứu độ nhám bề mặt
các chi tiết tròn xoay); ..................................................................................................30
1.2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt ................................................31
1.2.3.2 Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt. .....................................................33
b. Phương pháp so sánh. ............................................................................................... 33
1.2.3.3 Tổng quan về độ nhám bề mặt và phương pháp đo độ nhám ........................... 34
1.2.3.4 Các thông số nhám bề mặt ................................................................................35
1.3 Nhận xét ............................................................................................................................. 44

Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY TIỆN CNC VÀ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU
KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC ................................................................................45
2.1 Tổng quan về sự phát triển máy tiện CNC .................................................................... 45
2.2 Tổng quan về trục chính máy tiện CNC; ....................................................................... 47

2.2.1 Trục chính máy cơng cụ CNC ............................................................................48
2.2.2 Các chủng loại trục chính máy tiện CNC .......................................................... 48
2.2.2.1 Trục chính dẫn động bằng đai...........................................................................48

2.2.2.2 Trục chính dẫn động bằng bánh răng ............................................................... 49


2.2.2.3 Trục chính được dẫn động trực tiếp ..................................................................49
2.2.2.4 Trục chính được dẫn động bằng tích hợp .........................................................50
Nhận xét: ................................................................................................................................. 50
2.2 Lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực ....................................................................... 51
1.2.1 Giới thiệu về các hệ thống điều khiển ........................................................................... 51

1.2.1 .1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 51
2.1. Cơ sở lý thuyết về truyền động và điều khiển tự động thủy lực...................................... 52

2.1.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động .......................................................... 52
2.1.1.1. Khái niệm chung ............................................................................................... 52
2.1.1.2. Đáp ứng quá độ ................................................................................................ 53
2.1.1.3. Tín hiệu tác động và phản ứng của hệ ............................................................. 55
2.1.2. Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động ......................................................56
2.1.2.1. Ổn định của hệ thống điều khiển tự động.........................................................56
2.1.3. Chức năng và hàm truyền của bộ điều khiển PID ..............................................61
2.3. Lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực ........................................................................ 62

2.3.1. Phương pháp phân tích và tính tốn các ts cơ bản trong mạch thủy lực............62
2.2.4 Các phần tử điều khiển cơ bản trong hệ điều khiển tự động thủy lực .................65
2.2.4.1 Van điều khiển ...................................................................................................65
2.2.4.2 Van tỷ lệ và van servo ........................................................................................65
2.2.4.3 Đặc tính động lực học của van ..........................................................................67
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.......................................................... 72
3.1. Xác định mục tiêu thực nghiệm..................................................................................... 72
3.2. Khảo sát trang thiết bị phục vụ thực nghiệm .............................................................. 72

3.2.1. Hệ truyền động ....................................................................................................72
3.2.2. Hệ điều khiển .......................................................................................................78
3.2.3. Phần mềm điều khiển........................................................................................... 79
3.2.4. Máy đo độ nhám bề mặt Mitutoyo Surftest.......................................................... 81
3.3. Nghiên cứu độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng trên máy khi trục chính truyền động
bằng thủy lực........................................................................................................................... 82

3.3.1. Lựa chọn chi tiết ..................................................................................................82
3.3.2. Chọn dao và các thơng số cơng nghệ ..................................................................84
3.3.3. Lập trình gia công ............................................................................................... 87
3.3.4. Đo độ nhám bề mặt.............................................................................................. 90
3.3.5. Nhận xét ...............................................................................................................93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................95
Kết luận ................................................................................................................................... 95
Kiến nghị ................................................................................................................................. 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 96


NGHIÊN CỨU ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC KHI
TRỤC CHÍNH TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC
Học viên: Nguyễn Thƣợng Lý
Mã số: 60520103
Khóa: 2015

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt– Hiện nay, các máy công cụ CNC đang đƣợc sử dụng rộng rãi ở nƣớc ta. Sử
dụng máy công cụ CNC giúp ta dễ dàng gia công đƣợc các bề mặt phức tạp, các chi tiết

yêu cầu về độ chính xác bề mặt, kích thƣớc, hình dáng và vị trí tƣơng quan, mặt khác dễ
dàng tự động hố q trình gia cơng. Trong q trình gia cơng việc ổn định tốc độ khi
chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác là một trong những vấn đề cần quan tâm khi nghiên
cứu trục chính máy tiện cũng nhƣ các loại máy cơng cụ khác.
Với các lựa chọn khác nhau đó sẽ có các bài tốn động lực học khác nhau nên đề tài này
là hết sức cần thiết cho nghiên cứu thiết kế chế tạo máy công cụ ứng dụng hệ truyền động
thủy lực.
Ở Việt Nam hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực - tin - điện tử là một lĩnh
vực mới, chƣa đƣợc nghiên cứu sâu về mặt lý thuyết cũng nhƣ nghiên cứu ứng dụng vào
thực tiễn sản xuất. Hơn nữa ngày nay các trục chính và bàn dao của máy cơng cụ ứng dụng
hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực đang là hƣớng nghiên cứu ứng dụng của thế
giới. Trong máy cơng cụ nói chung đặc biệt là máy tiện thì hệ thống động lực học là một
hệ đàn hồi phức tạp.
Vấn đề đặt ra là rất lớn, nhƣng trong giới hạn của đề tài này tôi chỉ nghiên cứu độ nhám
bề mặt của chi tiết gia cơng khi trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực.
Từ khóa – Trục chính máy tiện CNC– Chế độ cắt – Độ nhám bề mặt

STUDY ON SURFACE SURFACE ON CNC MACHINES WHEN THE HYDRAULIC
TRANSPARENCY MOVES WITH HYDRAULIC MOTORS
Abstract: Currently, CNC machine tools are being widely used in our country. Using
CNC machine tools makes it easy to work with complex surfaces, The details required for
surface precision, size, shape and relative position, on the other hand it is easy to automate the
machining process. In the process of speed stabilization, moving from one speed to another is
one of the issues to consider when researching spindle lathes as well as other machine tools.
With different options that will have different dynamical problems, this subject is
absolutely essential for the research and development of hydraulic power tool applications. In
Vietnam automatic transmission and control hydraulic - electronic - electronic is a new field,
has not been studied in depth theoretical as well as applied research into production practices.
Today, the main spindles and dies of automatic transmission and automatic hydraulic control
applications are leading research applications in the world. In machine tools in general,

especially lathes, the dynamic system is a complex elastic system.
The problem is enormous, but within this topic, I only research the surface roughness of
the work piece when the spindle is driven by a hydraulic motor.


1

MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay, các máy công cụ CNC đang
đƣợc sử dụng rộng rãi ở nƣớc ta. Sử dụng
máy công cụ CNC giúp ta dễ dàng gia
công đƣợc các bề mặt phức tạp, các chi
tiết u cầu về độ chính xác bề mặt, kích
thƣớc, hình dáng và vị trí tƣơng quan, mặt
khác dễ dàng tự động hố q trình gia
cơng.
Hình 1.1 Máy tiện CNC
Trục chính máy tiện là một trong
những cụm chi tiết quan trọng trong máy cơng
cụ nói chung. Độ chính xác, độ cứng vững của
trục chính sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản
phẩm gia cơng, đặc biệt là máy có tốc độ cắt
lớn nên yêu cầu về chất lƣợng của trục chính
càng cao.
Tuy nhiên, khi tiện với những chi tiết gia
cơng có nhiều bề mặt, mà mỗi bề mặt có
Hình 1.2 Trục chính máy tiện
CNC
đƣờng kính gia cơng khác nhau, để đảm bảo

chất lƣợng bề mặt gia cơng thì tốc độ cắt phải là khơng đổi. Nhƣ vậy, trong q
trình gia cơng ta phải thay đổi vận tốc quay trục chính tƣơng ứng với từng đƣờng
kính gia cơng. Trong q trình gia cơng việc ổn định tốc độ khi chuyển từ tốc độ
này sang tốc độ khác là một trong những vấn đề cần quan tâm khi nghiên cứu trục
chính máy tiện cũng nhƣ các loại máy công cụ khác. Khi chế tạo máy công cụ, các
nhà sản xuất đã nghiên cứu vấn đề này. Tuy nhiên, ứng với mỗi máy đƣợc thiết kế
thì sẽ có phƣơng án truyền động cũng nhƣ kết cấu trục chính khác nhau. Với các lựa
chọn khác nhau đó sẽ có các bài tốn động lực học khác nhau nên đề tài này là hết
sức cần thiết cho nghiên cứu thiết kế chế tạo máy công cụ ứng dụng hệ truyền động
thủy lực.
Mặt khác, truyền động và điều khiển tự động hệ thủy lực trong máy móc và trang
thiết bị là một trong những hƣớng phát triển công nghệ cao và ứng dụng mạnh của
thế giới, mà những vấn đề quan tâm nghiên cứu là quá trình động lực học hệ thống
(độ ổn định, độ chính xác và thời gian đáp ứng,..) của hệ điều khiển. Theo khảo sát
một số hãng sản xuất máy CNC nhƣ Le Cheng, Senday Enterprise (Đài Loan), Fuji
(Nhật) đã chế tạo và bán ra thị trƣờng nhiều chủng loại máy công cụ CNC có hệ
truyền động và điều khiển bằng thủy lực.


2

Hình 1.3 Máy cơng cụ có hệ truyền động và điều khiển bằng thủy lực

Ở Việt Nam hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực - tin - điện tử là một
lĩnh vực mới, chƣa đƣợc nghiên cứu sâu về mặt lý thuyết cũng nhƣ nghiên cứu ứng
dụng vào thực tiễn sản xuất. Hơn nữa ngày nay các trục chính và bàn dao của máy
cơng cụ ứng dụng hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực đang là hƣớng
nghiên cứu ứng dụng của thế giới. Trong máy cơng cụ nói chung đặc biệt là máy
tiện thì hệ thống động lực học là một hệ đàn hồi phức tạp. Trong quá trình làm việc
do đặc điểm của q trình cắt (cắt liên tục, khơng liên tục), ma sát và các quá trình

khác xảy ra làm cho hệ đàn hồi bị biến dạng và dao động do đó sẽ ảnh hƣởng đến
chất lƣợng của chi tiết gia công, độ ổn định tốc độ của trục chính, của dao hoặc
phôi, tuổi thọ của máy và dụng cụ. Tất cả các vấn đề đó đều liên quan mật thiết đến
các quá trình động lực học máy. Tải trọng tác dụng lên hệ thống đàn hồi máy công
cụ rất phức tạp, tuy nhiên có quy về các dạng đặc trƣng của q trình cắt đó là: Tải
trọng khơng đổi, thay đổi tuyến tính và thay đổi điều hịa.
Vấn đề đặt ra là rất lớn, nhƣng trong giới hạn của đề tài này tôi chỉ nghiên cứu độ
nhám bề mặt của chi tiết gia cơng khi trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực.
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu độ nhám bề mặt chi tiết gia công trên máy tiện CNC khi trục chính
truyền động bằng động cơ thủy lực.
So sánh chất lƣợng bề mặt gia cơng khi trục chính truyền động bằng động cơ
điện ba pha, điều khiển tốc độ bằng biến tần.
III. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tƣợng: Đối tƣợng nghiên cứu là cụm trục chính máy tiện CNC.
Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chủ yếu nghiên cứu các vấn đề sau:
Nghiên cứu về trục chính máy cơng cụ CNC.


3
Nghiên cứu về vật liệu dao và chế độ cắt trên
máy tiện CNC.
Các chỉ tiêu về độ nhám bề mặt.
Khảo sát thực nghiệm, đo độ nhám bề mặt chi tiết
gia công.
So sánh độ nhám bề mặt chi tiết gia công trên
máy tiện CNC có trục chính truyền động bằng động
cơ thủy lực với máy tiện CNC có trục chính truyền
động bằng động cơ điện 3 pha (điều khiển bằng bộ

biến tần). Từ đó, đề xuất hƣớng ứng dụng hệ truyền
động và điều khiển thủy lực vào trục chính máy cơng
cụ.
Hình 1.4 Mơ hình cụm trục chính
IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài nghiên cứu về lý thuyết kết hợp với khảo sát thực nghiệm.
V. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Độ nhám bề mặt là một trong những chỉ tiêu quan trọng khi đánh giá chất lƣợng
của chi tiết gia công trên máy công cụ CNC.
Mặt khác, ứng dụng hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực cho trục
chính máy công cụ CNC là một hƣớng đi mới khi thiết kế, chế tạo máy CNC tại
Việt Nam.
Ngoài ra, kết quả nghiên cứu góp phần khai thác các số liệu thực nghiệm đề tài
khoa học & công nghệ cấp bộ của chủ nhiệm đề tài Trần Ngọc Hải, Khoa Cơ khí.
VI. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung dự kiến:
 Nghiên cứu tổng quan;
 Nghiên cứu lý thuyết;
 Nghiên cứu thực nghiệm;
 Kết luận và kiến nghị.
VII. CẤU TRÖC LUẬN VĂN
 Trang phụ bìa
 Lời cam đoan
 Phụ lục
 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
 Danh mục các bảng
 Danh mục các hình vẽ, đồ thị


4

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT GỌT KIM LOẠI VÀ ĐỘ BĨNG BỀ
MẶT CHI TIẾT GIA CƠNG
1.1 Giới thiệu về máy công cụ
Mặc dù máy tiện chế biến gỗ đã đƣợc sử dụng từ thời Kinh Thánh, nhƣng chiếc
máy tiện gia công kim loại thực tế đầu
tiên mới đƣợc Henry Maudslay phát
minh vào năm 1800. Nó chỉ đơn giản
là một công cụ máy giữ mẩu kim loại
đang đƣợc gia công (hay phôi) trong
một bàn kẹp hay trục quay và quay
mẩu kim loại này, vì vậy một cơng cụ
cắt có thể gia công bề mặt theo đƣờng
mức mong muốn. Công cụ cắt này
đƣợc nhân viên vận hành vận dụng qua
việc sử dụng cái quay tay hay vơ lăng.
Độ chính xác về kích cỡ đƣợc nhân
viên vận hành điều khiển bằng cách
quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di
chuyển công cụ cắt theo số lƣợng hợp
lý. Mỗi chi tiết đƣợc sản xuất ra đòi
hỏi vận hành viên lặp lại những cử
động trong cùng trình tự và với cùng
kích thƣớc.
Chiếc máy phay đầu tiên đƣợc vận
hành theo cách thức tƣơng tự nhƣ vậy, ngoại trừ công cụ cắt đƣợc đặt ở trục chính
đang quay. Phơi đƣợc lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt,
qua việc sử dụng vô lăng để gia công đƣờng mức của phôi. Chiếc máy phay này do Eli
Whitney phát minh năm 1818.
Những chuyển động đƣợc sử dụng trong các công cụ máy đƣợc gọi là trục và đề cập

đến 3 trục: ―X‖ (thƣờng từ trái qua phải), ―Y‖ (trƣớc ra sau) và ―Z‖ (trên và dƣới). Bàn
làm việc cũng có thể đƣợc quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ
tƣ. Một số máy cịn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo một góc.
Một trong những vấn đề của những dòng máy ban đầu này là chúng đòi hỏi nhân viên
vận hành phải sử dụng vơ lăng để tạo ra mỗi chi tiết. Ngồi tính nhàm chán và gây mệt
mỏi về thể chất, khả năng chế tạo các chi tiết của vận hành viên cũng bị hạn chế. Chỉ
một khác biệt nhỏ trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong kích thƣớc trục và
khi đó, tạo ra những chi tiết khơng phù hợp. Mức độ kim loại vụn đƣợc tạo ra từ


5
những hoạt động nhƣ vậy là khá cao, lãng phí nguyên liệu thô và thời gian lao động.
Khi số lƣợng sản xuất tăng lên, càng có nhiều chi tiết bị hỏng. Do đó, điều cần thiết ở
đây là một phƣơng tiện vận hành các chuyển động của máy một cách tự động. Những
nỗ lực ban đầu để ―tự động hóa‖ các hoạt động này sử dụng một loạt cam để di chuyển
dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết (linkage). Khi cam quay, một liên kết lần
theo bề mặt của mặt cam (cam face), di chuyển công cụ cắt hay phôi qua một dãy các
chuyển động. Mặt cam đƣợc định hình để điều khiển khối lƣợng chuyển động liên kết
và tốc độ mà cam quay điều khiển tốc độ cấp dao. Một số máy vẫn còn tồn tại cho tới
ngày nay và đƣợc gọi là máy ―Swiss‖ (máy kiểu Thụy Sĩ), một cái tên đồng nghĩa với
gia công chính xác.
Từ thiết kế sơ khai đến hoạt động ngày nay
Thiết kế máy CNC hiện đại bắt
nguồn từ tác phẩm của John T.
Parsons cuối những năm 1940 và
đầu những năm 1950. Sau Thế
chiến II, Parsons tham gia sản xuất
cánh máy bay trực thăng, một cơng
việc địi hỏi phải gia cơng chính xác
các hình dạng phức tạp. Parsons

sớm nhận ra rằng bằng cách sử
dụng máy tính IBM thời kì đầu, ơng
đã có thể tạo ra những thanh dẫn
đƣờng mức chính xác hơn nhiều khi
sử dụng các phép tính bằng tay và
sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này,
ông đã giành đƣợc hợp đồng phát triển một ―máy cắt đƣờng mức tự động‖ cho Không
quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ
điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy đƣợc chế tạo cực kì
lớn, phức tạp và đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt
cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay. Đến
những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của những chiếc máy tự động giảm đến
một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác. Những
chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để vận dụng vô lăng
và vận hành dao cụ. Các động cơ này nhận chỉ dẫn điện từ một đầu đọc băng từ – đọc
một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng lỗ. Vị trí và thứ tự lỗ cho
phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và
tốc độ chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy giống nhƣ nhân viên vận hành. Các
xung điện đƣợc quản lý bởi một máy tính đơn giản khơng có bộ nhớ. Chúng thƣờng


6
đƣợc gọi là NC hay máy điều khiển số. Một nhà lập trình sản xuất băng từ trên một
máy giống nhƣ máy đánh chữ, hay chính xác hơn là những ―băng giấy‖ đƣợc sử dụng
ở những máy tính thời kì đầu, sử dụng nhƣ một ―chƣơng trình‖. Kích cỡ của chƣơng
trình đƣợc xác định bởi độ dài của băng cần phải đọc để sản xuất ra một chi tiết cụ thể.
Câu chuyện về việc kết nối những chiếc máy tính với máy móc sản xuất gây nhiều tị
mị và tranh cãi. Nó minh họa cách thức gắn kết giữa ngành công nghiệp, các trƣờng
đại học và quân đội trong thế kỉ 20. Câu chuyện cũng cho thấy thật khó để quy ra rằng
nhiều sáng tạo là do một cá nhân hay một cơ quan. Phân loại ai làm gì, khi nào và với

ảnh hƣởng gì là một cơng việc đầy phức tạp.
Năm 1947, John Parsons quản
lý một hãng sản xuất hàng khơng
ở thành phố Traverse, Michigan.
Đối mặt với tính phức tạp ngày
càng cao của hình dạng chi tiết và
những vấn đề về toán học và kỹ
thuật mà họ gặp phải, Parsons đã
tìm ra những biện pháp để giảm
chi phí kỹ thuật cho cơng ty. Ơng
đã xin phép International Business
Machine sử dụng một trong những
chiếc máy tính văn phịng trung
ƣơng của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng
mới. Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM,
nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đồn Parsons để tạo ra một chiếc máy đƣợc điều khiển
bởi các thẻ đục lỗ. Nhanh chóng, Parsons cũng ký đƣợc hợp đồng với Air Force để sản
xuất một chiếc máy đƣợc điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình
dạng đƣờng mức giống nhƣ những hình trong cánh quạt và cánh máy bay. Sau đó,
Parsons đã đến gặp các kĩ sƣ ở Phịng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc Viện Công nghệ
Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều
kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế
chiến II. Phịng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên
cứu sang lĩnh vực điều khiển và cơ cấu phản hồi. Việc phát triển thành công các công
cụ máy CNC đã đƣợc các nhà nghiên cứu của trƣờng đại học đảm trách với mục tiêu
đáp ứng nhu cầu của các nhà bảo trợ quân đội. Với những tiến bộ trong điện tử tích
hợp, băng từ đã bị loại bỏ và nếu có thì chỉ đƣợc sử dụng để tải (load) các chƣơng trình
vào bộ nhớ từ. Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thơng
tin đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ máy tính chƣơng trình. Để đặt thơng tin này vào bộ nhớ,
nhân viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu đƣợc. Chƣơng trình có thể

7
bao gồm các lệnh ―mã hóa‖, nhƣ ―M03‖ – hƣớng dẫn bộ điều khiển chuyển trục chính
tới một vị trí mới hay ―G99‖ – hƣớng dẫn bộ điều khiển đọc một đầu vào phụ từ một
q trình nào đó trong máy. Các lệnh mã hóa là phƣơng thức phổ biến nhất để lập trình
một cơng cụ máy CNC. Tuy nhiên, sự tiến bộ trong máy tính đã cho phép các nhà sản
xuất cơng cụ máy tạo ra ―lập trình hội thoại‖. Trong lập trình hội thoại, lệnh ―M03‖
đƣợc nhập đơn giản nhƣ ―MOVE‖ và ―G99‖ là ―READ‖. Kiểu lập trình này cho phép
đào tạo nhanh hơn và nhân viên lập trình khơng phải nhớ nhiều ý nghĩa của mật mã.
Tuy nhiên, cần phải lƣu ý rằng hầu hết các máy sử dụng lập trình hội thoại vẫn đọc các
chƣơng trình mã hóa, do đó ngành cơng nghiệp vẫn đặt nhiều niềm tin vào dạng lập
trình này. Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy. Ví dụ,
trong một số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí,
đƣờng kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phƣơng pháp gia
cơng tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dƣới dạng phơi. Thiết bị mới nhất có thể chọn một
mẫu kỹ thuật đƣợc tạo ra từ máy tính, tính tốn tốc độ dao cụ, đƣờng vận chuyển vật
liệu vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ hay một chƣơng trình.
Thiết kế hiện đại và ngun liệu thơ
Các thành phần cơ khí của máy phải đủ cứng và vững để hỗ trợ nhanh chóng các chi
tiết chuyển động. Trục chính thƣờng là chi tiết vững nhất và đƣợc hỗ trợ bởi các ổ trục
lớn. Dù trục chính có giữ sản phẩm hay dao cụ, đặc tính kẹp tự động cho phép trục
chính kẹp và nhả trong khi chƣơng trình đang chạy.
Gắn bên sƣờn máy là một máng chứa nhiều dao cụ khác nhau. Một cánh tay vận
chuyển (transfer arm), đơi khi có tên gọi là tool bar có nhiệm vụ tháo dao cụ ra khỏi
máy, đặt nó vào trong máng, lựa chọn một dao cụ khác từ máng và đƣa nó trở lại máy
thơng qua những chỉ dẫn trong chƣơng trình. Thời gian chu kì điển hình để thực hiện
thủ tục này là 2 – 8 giây. Một số máy có thể chứa tới 400 dao cụ trong những ―tổ‖ lớn,
mỗi tổ tự động tải theo trình tự khi chƣơng trình đang chạy.
Một số máy đƣợc thiết kế nhƣ các khoang (cell), có nghĩa là chúng có một nhóm

các chi tiết chuyên biệt đƣợc thiết kế đế sản xuất. Các máy này có các máng dao cụ lớn
để có thể chứa đủ dao cụ nhằm thực hiện tất cả các hoạt động khác nhau trên mỗi chi
tiết khác nhau, các bàn làm việc lớn hay khả năng thay đổi bàn làm việc và các đồ dự
trữ đặc biệt trong bộ điều khiển cho đầu vào dữ liệu từ các máy CNC khác. Điều này
cho phép lắp ráp máy CNC cùng với các loại máy có trang bị tƣơng tự thành một
khoang gia công linh hoạt (Flexible Machining Cell), khoang này có thể sản xuất đồng
thời hơn một chi tiết. Mỗi nhóm khoang, có chứa tới 20 hay 30 máy và có tên gọi là
Hệ thống gia cơng linh hoạt. Những hệ thống này có thể sản xuất hàng trăm chi tiết
khác nhau ở cùng thời điểm mà không cần con ngƣời can thiệp nhiều. Một số hệ thống
đƣợc thiết kế để hoạt động cả ngày lẫn đêm mà không cần giám sát.


8
Ở các máy cắt thông thƣờng, việc điều khiển các chuyển động cũng nhƣ thay đổi
vận tốc của các bộ phận máy đều đƣợc thực hiện bằng tay. Với cách điều khiển này,
thời gian phụ khá lớn, nên không thể nâng cao năng suất lao động.
Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự động hóa q trình điều khiển. Trong
sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn, từ lâu ngƣời ta dùng phƣơng pháp gia công tự động
với việc tự động hóa q trình điều khiển bằng các vấu tỳ, bằng mẫu chép hình, bằng
cam trên trục phân phối... Đặc điểm của các loại máy tự động này là rút ngắn đƣợc
thời gian phụ, nhƣng thời gian chuẩn bị sản xuất quá dài (nhƣ thời gian thiết kế và chế
tạo cam, thời gian điều chỉnh máy ...). Nhƣợc điểm này là không đáng kể nếu nhƣ sản
xuất với khối lƣợng lớn. Trái lại, với lƣợng sản xuất nhỏ, mặt hàng thay đổi thƣờng
xuyên, loại máy tự động này trở nên khơng kinh tế. Do đó cần phải tìm ra phƣơng
pháp điều khiển mới. Yêu cầu này đƣợc thực hiện với việc điều khiển theo chƣơng
trình số.
Đặc điểm quan trọng của việc tự động hóa q trình gia cơng trên các máy CNC là
đảm bảo cho máy có tính vạn năng cao. Điều đó cho phép gia cơng nhiều loại chi tiết,
phù hợp với dạng sản xuất hàng loạt nhỏ và hàng loạt vừa, mà trên 70% sản phẩm
của ngành chế tạo máy đƣợc chế tạo trong điều kiện đó.

Máy cơng cụ điều khiển bằng chƣơng trình số – viết tắt là máy NC
(Numerical Control) là máy tự động điều khiển (vài hoạt động hoặc tồn bộ hoạt
động), trong đó các hành động điều khiển đƣợc sản sinh trên cơ sở cung cấp các dữ
liệu ở dạng: LỆNH. Các LỆNH hợp thành chƣơng trình làm viêc. Chƣơng trình làm
việc này đƣợc ghi lên một cơ cấu mang chƣơng trình dƣới dạng MÃ SỐ. Cơ cấu mang
chƣơng trình có thể là BĂNG ĐỘT LỖ, BĂNG TỪ, hoặc chính BỘ NHỚ MÁY TÍNH
Các thế hệ đầu, máy NC cịn sử dụng các cáp logic trong hệ thống. Phƣơng pháp
điều khiển theo điểm và đoạn thẳng (hình 1-7a và hình 1-7b), tức là khơng có quan
hệ hàm số giữa các chuyển động theo tọa độ. Việc điều khiển cịn mang tính ―cứng ―
nên chƣơng trình đơn giản và cũng chỉ gia cơng đƣợc những chi tiết đơn giản nhƣ gia
công lỗ, gia công các đƣờng thẳng song song với các chuyển động mà máy có.
Các thế hệ sau, trong hệ thống điều khiển của máy NC đã đƣợc cài đặt các cụm vi
tính, các bộ vi sử lý và việc điều khiển lúc này phần lớn hoặc hoàn toàn ―mềm‖.
Phƣơng pháp điều khiển theo đƣờng biên (hình2.1c), tức là có mối quan hệ hàm
số giữa các chuyển động theo hƣớng các tọa độ. Các máy NC này đƣợc gọi là
CNC (Computer Numerical Control). Chƣơng trình đƣợc soạn thảo tỉ mỉ hơn và có thể
gia cơng đƣợc những chi tiết có hình dáng rất phức tạp. Hiện nay các máy CNC đã đƣợc dùng
phổ biến.

1.1 Lịch sử phát triển của máy công cụ
Năm 1947, John Parsons nảy ra ý tƣởng áp dụng điều khiển tự động vào quá
trình chế tạo cánh quạt máy bay trực thăng ở Mỹ. Trƣớc đó, việc gia cơng và kiểm


9
tra biên dạng của cánh quạt phải dùng các mẫu chép hình, sử dụng dƣỡng, do đó rất
lâu và khơng kinh tế. Ý định dùng bìa xuyên lỗ để doa các lỗ bằng cách cho tín
hiệu để điều khiển hai bàn dao, đã giúp Parsons phát triển hệ thống Digital của ông
Với kết quả này, năm 1949, ông ký hợp đồng với USAF ( US Air Force) nhằm
chế tạo một loại máy cắt theo biên dạng tự động. Parsons yêu cầu trợ giúp để sử

dụng phịng thí nghiệm điều khiển tự động của Viện Cơng Nghệ Massachusetts
(M.I.T.) nơi đƣợc chính phủ Mỹ tài trợ để chế tạo một loại máy phay 3 tọa độ điều
khiển bằng bằng chƣơng trình số
Sau 5 năm nghiên cứu, J. Parsons đã hoàn chỉnh hệ thống điều khiển máy phay
và lần đầu tiên trong năm 1954, M.I.T. đã sử dụng tên gọi ―Máy NC‖.
Trong những năm 60, thời gian đã chín mùi cho việc phát triển và ứng dụng các
máy NC. Rất nhiều thành viên của ngành cơng nghiệp hàng khơng Mỹ đã nhanh
chóng ứng dụng, phát triển và đã sản sinh ra thế hệ máy mới (CNC) cho phép phay
các biên dạng phức tạp, tạo hình với hai, ba hoặc bốn và năm trục (ba tịnh tiến và
hai quay).
Các nƣớc châu Âu và Nhật Bản phát triển có chậm hơn một vài năm, nhƣng
cũng có những đặc điểm riêng, chẳng những về mặt kỹ thuật, mà cả về kết cấu nhƣ
kết cấu trục chính, cơ cấu chứa dao, hệ thống cấp dao v.v...
Từ đó đến nay, hàng loạt máy CNC ra đời với đủ chủng loại và phát triển
khơng ngừng. Sự phát triển đó dựa vào thành tựu của các ngành: máy tính điện tử,
điện tử công nghiệp và điều khiển tự động ... Nhất là trong thập niên 90, máy CNC
đã đổi mới nhanh chóng chƣa từng có trong lãnh vực tự động.
1.1.1 Các máy tiện CNC là các máy công cụ chủ yếu được dùng để chế tạo các chi
tiết tròn xoay.

Các máy CNC này có những ƣu điểm của điều khiển số so với các máy tiện
truyền thống. Thêm vào đó, máy có thể đƣợc thiết kế với hai trục chính và/hoặc hai
đầu rơ-vơn-ve để có thể thực hiện gia cơng đồng thời 2 dao hoặc sau khi gia công
xong một đầu thì mâm cặp của trục thứ 2 thực hiện việc kẹp chặt chi tiết để gia
công tiếp (giống nhƣtrở đầu) hoặc có thể gia cơng cùng lúc hai chi tiết với 2 chƣơng
trình gia cơng khác nhau. Trên máy cịn có hệ thống tự động cấp và tháo chi tiết.


10
Các sự tích hợp này càng làm cho các trung tâm tiện CNC trở nên rất linh hoạt. Các

trung tâm tiện CNC cũng có thể đƣợc trang bị trong hệ thống sản xuất linh hoạt
FMS.
Bảng 1. Một số đặc điểm tiêu biểu của máy tiện CNC

Cỡ

Đƣờng
kính
tiện lớn
nhất
(mm)

Chiều
dài tiện
lớn
nhất
(mm)

Lỗ
trục
chính
(mm)

Cơng
suất
động
cơ
trục
chính
(mm)

Nhỏ

200

300

30

7

2

8

Cánh tay
robot nhỏ

Trung
bình

600

700

90

25

3

12

Cánh tay
robot

Lớn

1.200

10.000

120

50

4

24 (2 đầu
rovonve)

Magazine,
robot cỡ lớn

Số
trục

Số dao
lớn nhất

Hệ thống
vận chuyển
phơi

Cấu hình máy
Các máy tiện CNC có nhiều cỡ khác nhau. Có loại nhỏ để bàn dùng để giảng dạy
trong trƣờng học nhƣng cũng có những máy tiện có chiều dài rất lớn dùng trong
công nghiệp nặng. Đặc điểm của máy cũng thay đổi đáng kể theo quy mô của máy.
Số lƣợng trục chính và số đầu rơ-vơn-ve cũng nhƣ cỡ kích thƣớc phủ bì của khu
vực gia cơng đƣợc kết hợp để cho các máy đƣợc thiết kế có thể gia công một loại
chi tiết, cấp độ chất lƣợng và năng suất gia cơng cụ thể. Trên bảng 1 trình bày một
số thông số tiêu biểu của máy tiện CNC. Trên hình 1 là hình dáng bên ngồi của
một máy tiện CNC kiểu để bàn và hình 2 là một máy cỡ lớn.

Hình 1.5 Trung tâm tiện Meteor (kiểu để bàn) của hãng Denford


11

Hình 1.6 Máy tiện CNC TUR1550 cỡ lớn của hãng TOOLMEX.

Kết cấu máy tiện CNC thay đổi đáng kể tùy thuộc vào lực cắt, lƣợng chạy dao và
tốc độ cắt. Loại máy với kiểu thiết kế có bệ máy phẳng (flat-bed) truyền thống đã
đƣợc thay thế bởi loại bẹ máynghiêng (slant-bed) và thẳng đứng (vertical-bed). Các
loại này đạt độ cứng vững cao hơn và cũng cho phép một thể tích lớn phoi cắt đổ
xuống bên dƣới khu vực gia công tại hệ thống thu gom phoi.
Số lƣợng trục trên các máy tiện CNC từ 2-6. Theo quy ƣớc thông thƣờng cho
máy tiện CNC thì:
 Trục Z: trùng với trục chính và chiều dƣơng của nó hƣớng ra xa khỏi ụ trục chính

Hình 1.7 Các trục X,Z và C

Hình 1.8 Collect gá lắp đa giác cơn

 Trục X: vng góc với trục z thƣờng là trục cho chuyển động của bàn trƣợt ngang.


12
 Trục C: trục có chuyển động quay quanh trục z, đƣợc dùng để xác định vị trí hƣớng
trục cho công việc gia công thứ hai.
Cho đến nay, kiểu máy tiện CNC truyền thống với hai trục X và Z vẫn phổ biến nhất.
Tuy nhi ngày càng xuất hiện nhiều máy tiện đa chức năng với giải pháp gia công tối
ƣu để gia cơng các chi tiết trịn xoay. Một số máy đƣợc trang bị trục dao quay, trục C,
trục chính thứ cấp (subspindle) và trục Y, có khả năng khoan và phay hƣớng tâm, đáp
ứng nhiều nhu cầu gia công chi tiết chỉ trong một lần gá đặt. Một số máy đa chức năng
có trục B (quay xung quanh trục Y) có thể thực hiện ngun cơng khoan nghiêng một
góc hoặc pha biến dạng. Với việc tích hợp thêm trục chính thứ hai, trục quay trên đầu
rơ-von-ve, máy tiện CNC có thể khoan, phay và thậm chí mài và lúc này máy tiện đã
biến thành trung tâm tiện CNC.
Hệ thống gá dao:
Nhằm tăng năng suất và độ chính xác gia công, hệ thống gá đặt và điều chỉnh dao
đã đƣợc nghiên cứu và phát triển đặc biệt cho máy tiện CNC. Những phát triển này
nhằm đạt hai mục tiêu chính:
 Định vị chính xác vị trí dao trong hệ thống gá dao.
 Thời gian thay dao ngắn với việc sử dụng thiết bị định vị và kẹp chặt nhanh với
chỉ một động tác. Hệ thống gá dao bao gồm một hệ thống cấp bậc các dụng cụ và các
khối gá lắp và chúng lắp vừa vặn vào đầu rơ-vôn-ve. Việc định vị và kẹp chặt nhanh đạt
đƣợc bởi những gá lắp có thiết kế đặc biệt nhƣ kiểu one-key hoặc twist-type.
Trên hình 4 là collect hệ thống gá lắp đa giác côn của hãng Sanvik.
Chiều dài phần côn và các bề mặt tiếp xúc chính xác với áp suất bề mặt bé. Điều

này cho phép tuổi thọ của dao cao và độ chính xác lập lại cao. Đƣờng cong phân
bốứng suất khơng có những đỉnh nhọn nên tránh đƣợc các rủi ro của rung động và
biến dạng. Với những thiết kế đặc biệt đã làm giảm đáng kể thời gian gá đặt và hiệu
chỉnh dao. Tổng thời gian gá đặt dao có thể giảm từ 60 phút xuống cịn 10 phút và
thời gian thay một dao có thể giảm từ 10 phút xuống còn 1 phút. Những tiến bộ gần
đây còn cho phép giảm thời gian nhiều hơn nữa so với các con số nói trên.
Một số đặc điểm khác của hệ thống nhằm giảm thời gian thay đổi dụng cụ là:
 Lắp sẵn các đầu đo dùng cho mục đich offset dao – nhập dữ liệu trục tiếp vào
bộ điều khiển của máy.
 Thay đổi chấu cặp nhanh.
 Thay đổi mâm cặp nhanh.
 Điều chỉnh, lắp đặt trƣớc các đồ gá (sử dụng cho lắp đặt trƣớc các dụng cụ).
Hệ thống vận chuyển phôi và chi tiết gia công
Cùng với việc gia tăng sử dụng hệ thông sản xuất linh hoạt và vận hành khơng có
con ngƣời, các hệ thống vận chuyển phôi và chi tiết đã đƣợc phát triển cho các trung


13
tâm tiện CNC có kiểu kẹp chi tiết gia cơng bằng mâm cặp. Các dạng hệ thống vận
chuyển phôi và chi tiết gia cơng phổ biến nhất là:
 Ổ tích phôi nạp phôi trực tiếp vào máy.
 Một robot chuyển phơi vào máy từ một ổ tích phơi hoặc băng chuyền. – Một
dàn cần cẩu kiểu cổng với một cánh tay/cánh tay robot chuyển phơi vào máy từ một
ổ tích phơi hoặc băng chuyền.
Phƣơng pháp dùng các ổ tích phơi đƣa trực tiếp phôi vào máy phƣơng pháp rẻ
nhất nhƣng chúng thƣờng bị hạn chế để nạp các chi tiết có hình dạng đối xứng
nhằm ngăn các chi tiết bị kẹt trong các rãnh của bộ phận cấp phôi.
Các robot có thể là đóng vai trị là các đơn vị nhỏ, là hệ thống phôi của trung tâm
tiện CNC. Chúng có thể vận chuyển dễ dàng các chi tiết bất đối xứng. Những chi
tiết này không thể nạp vào ổ tích phơi và những chi tiết cần đƣợc đảo đầu cho

nguyên công thứ hai.
Các hệ thống cần cẩu kiểu co thƣờng đƣợc áp dụng cho các mặt cỡ lớn. Kết cấu của
chúng bao gồm các trụ đỡ và một xà ngang (cao hơn máy). Một cánh tay/cánh tay
robot chuyển động trên xà ngang này. Hệ thống này đứng tách riêng ra khỏi máy.
1.1.2 Đặc trƣng cơ bản của máy CNC
a) Tính năng tự động cao
Máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm đƣợc tối đa thời gian phụ, do mức độ
tự động đƣợc nâng cao vƣợt bậc. Tuỳ từng mức độ tự động, máy CNC có thể thực
hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, có thể tự động thay dao, hiệu
chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thƣớc chi tiết và qua đó tự động hiệu
chỉnh sai lệch vị trí tƣơng đối giữa dao và chi tiết, tự động tƣới nguội, tự động hút
phoi ra khỏi khu vực cắt …
b) Tính năng linh hoạt cao
Chƣơng trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các loại chi
tiết khác nhau. Do đó rút ngắn đƣợc thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất,
tạo điều kiện thuận lơi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ.
Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có chƣơng
trình. Vì thế, khơng cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà chỉ giữ lấy chƣơng trình
của chi tiết đó.
Máy CNC gia cơng đƣợc những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh hoạt
khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất là việc lập trình gia cơng
có thể thực hiện ngồi máy, trong các văn phịng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học
thông qua các thiết bị vi tính, vi sử lý ...
c) Tính năng tập trung nguyên cơng
Đa số các máy CNC có thể thực hiện số lƣợng lớn các nguyên công khác nhau
mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết. Từ khả năng tập trung các nguyên
công, các máy CNC đã đƣợc phát triển thành các trung tâm gia công CNC.


14

d) Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao
Giảm đƣợc hƣ hỏng do sai sót của con ngƣời. Đồng thời cũng giảm đƣợc cƣờng
độ chú ý của con ngƣời khi làm việc.
Có khả năng gia cơng chính xác hàng loạt. Độ chính xác lặp lại, đặc trƣng cho
mức độ ổn định trong suốt q trình gia cơng là điểm ƣu việt tuyệt đối của máy
CNC.
Máy CNC với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia cơng đƣợc những
chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thƣớc. Những đặc điểm này thuận tiện
cho việc lắp lẫn, giảm khả năng tổn thất phôi liệu ở mức thấp nhất.
e) Gia công biên dạng phức tạp
Máy CNC là máy duy nhất có thể gia cơng chính xác và nhanh các chi tiết có
hình dáng phức tạp nhƣ các bề mặt 3 chiều.
f) Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao
Cải thiện tuổi bền dao nhờ điều kiện cắt tối ƣu. Tiết kiệm dụng cụ cắt gọt, đồ gá
và các phụ tùng khác.
Giảm phế phẩm.
Tiết kiệm tiền thuê mƣớn lao động do không cần yêu cầu kỹ năng nghề nghiệp
nhƣng năng suất gia công cao hơn.
Sử dụng lại chƣơng trình gia cơng.
Giảm thời gian sản xuất.
Thời gian sử dụng máy nhiều hơn nhờ vào giảm thời gian dừng máy.
Giảm thời gian kiểm tra vì máy CNC sản xuất chi tiết chất lƣợng đồng nhất.
CNC có thể thay đổi nhanh chóng từ việc gia cơng loại chi tiết này sang loại
khác với thời gian chuẩn bị thấp nhất.
Tuy nhiên máy CNC khơng phải khơng có những hạn chế. Dƣới đây là một số
hạn chế
Sự đầu tƣ ban đầu cao: Nhƣợc điểm lớn nhất trong việc sử dụng máy CNC là tiền
vốn đầu tƣ ban đầu cao cùng với chi phí lắp đặt.
Yêu cầu bảo dƣỡng cao: Máy CNC là thiết bị kỹ thuật cao và hệ thống cơ khí,
điện của nó rất phức tạp. Để máy gia cơng đƣợc chính xác cần thƣờng xuyên

bảo dƣỡng. Ngƣời bảo dƣỡng phải tinh thông cả về cơ và điện.
Hiệu quả thấp với những chi tiết đơn giản.
1.1.3 Mơ hình khái qt của một máy CNC
Máy gồm hai phần chính:
Phần điều khiển: Gồm chƣơng trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển.
Chƣơng trình điều khiển: Là tập hợp các tín hiệu (gọi là lệnh – đƣợc trình bày kỹ
ở chƣơng II) để điều khiển máy, đƣợc mã hóa dƣới dạng chữ cái, số và môt số ký
hiệu khác nhƣ dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng ... Chƣơng trình này đƣợc ghi


15
lên cơ cấu mang chƣơng trình dƣới dạng mã số (cụ thể là mã thập - nhị phân nhƣ
băng đục lỗ, mã nhị phân nhƣ bộ nhớ của máy tính)
Các cơ cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chƣơng trình, thực hiện các
phép biến đổi cần thiết để có đƣợc tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ
cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thơng qua các tín hiệu
đƣợc gửi về từ các cảm biến liên hệ ngƣợc. Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải
mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu
khuyếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, , bộ nhớ và các thiết bị xuất
nhập tín hiệu.
Đây là thiết bị điện – điện tử rất phức tạp, đóng vai trò cốt yếu trong hệ thống
điều khiển của máy NC. Việc tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của các thiết bị này địi hỏi
có kiến thức từ các giáo trình chuyên ngành khác, cho nên ở đây chỉ giới thiệu khái
quát.
Phần chấp hành: Gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động
hóa nhƣ các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, tƣới trơn, hút thổi phoi, cấp phôi .
Cũng nhƣ các loại máy cắt kim loại khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt
gọt kim loại để tạo hình chi tiết. Tùy theo khả năng công nghệ của loại máy mà có
các bộ phận : Hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trƣợc, bàn máy, trục chính,
ổ chứa dao, các tay máy ...

[EOB]:
Dùng khi kết thúc câu lệnh.
[CANCEL]: Dùng xố những ký tự khơng cần thiết ở hàng soạn thảo.
[DELETE]: Xoá lệnh hoặc câu lệnh.
[SHIFT]:
Hỗ trợ khi sử dụng phím
[RESET]:
Trở lại vị trí trƣớc
Gọi chương trình ra màn hình
Chƣơng trình có thể đƣợc soạn thảo trên những phần mềm thơng dụng khác
nhau, sau đó đƣợc lƣu vào phần mềm hoặc phần cứng.
Để đƣa chƣơng trình ra màn hình, phối hợp các phím chức năng [EDIT],
[CURSOR], [INPUT], [RESET], [SEARCH].
Kiểm tra chương trình
Chƣơng trình sau khi soạn thảo cần phải đƣợc kiểm tra, hiệu chỉnh. Đây là khâu
quan trọng trƣớc khi gia công trên máy CNC. Kiểm tra ở đây là kiểm tra về mặt
hình dáng hình học, vấn đề cơng nghệ, quỹ đạo cắt, có hai cách kiểm tra nhƣ sau:
Kiểm tra thủ cơng: là dị chƣơng trình bằng mắt và vẽ ra chi tiết gia công bằng
tay. Cách này đƣợc thực hiện khi điều kiện máy tính và phần mền khơng có.
Kiểm tra bằng máy: chƣơng trình soạn thảo đƣợc nhập vào máy tính, cho chạy
mơ phỏng trên phần mềm phù hợp.
Dựa trên quỹ đạo chuyển động của dao và hình dáng chi tiết hình thành mà sửa
đổi chƣơng trình hay dao cắt, chế độ cắt . . . để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.


16
Cách kiểm tra nhƣ sau:
Trên bảng lựa chọn chế độ ―MODE SELECT‖ vặn tay gạt ở vị trí ―EDIT‖, trên
bàn phím điều khiển nhấn [SFG], màn hình chƣơng trình hiển thị nhƣ (hình 1)
bên dƣới, chọn ―SEARCH‖, gõ tên chƣơng trình vào dịng nhập dữ liệu, nhấn

[INPUT], màn hình hiển thị ra chƣơng trình cần tìm, chọn ―CHECK để kiểm tra
chƣơng trình, chƣơng trình, chọn ―STEP‖ chạy mơ phỏng từng câu lệnh mà khơng
có hình ảnh mơ tả đi kèm, chọn ―TRACE‖ là chạy mơ phỏng có hình ảnh mơ tả đi
kèm.
Quan trọng và không thể thiếu đƣợc là điều chỉnh máy, điều chỉnh máy là làm
sao cho máy
CNC biết đƣợc chi tiết gia công đƣợc đặt ở đâu trên máy và dụng cụ cắt có kích
thƣớc ra sao.
Muốn gia cơng đƣợc chính xác thì chuỗi kích thƣớc cơng nghệ của hệ thống cơng
nghệ gồm: Máy-dao-gá-chi tiết phải khép kín.
Khi thiết kế và chế tạo một máy CNC, ngƣời thiết kế đã đặt cho máy một điểm
chuẩn đo lƣờng. Điểm chuẩn có thể cố định tại một vị trí, nhƣng cũng có thể khơng
cố định, tuỳ vào cấu trúc mỗi loại máy.
Khi gia công trên máy CNC, việc chuẩn bị cơng nghệ và lập chƣơng trình điều
khiển đƣợc thực hiện bên ngoài máy CNC. Vậy khi kết nối chúng lại (máy-dao-gáchi tiết) phải tn theo một chuỗi kích thƣớc cơng nghệ khép kín. Lúc đó máy CNC
mới điều khiển gia cơng theo chuẩn của nó một cách chính xác.
Gia cơng chi tiết trên máy CNC cần phải chuẩn bị phôi, dao cắt và đồ gá
Đồ gá đƣợc cố định trong không gian gia công trên bàn máy, phải đƣợc rà
vuông góc hoặc song song với các phƣơng chuyển động của máy.
Chi tiết phải đƣợc định vị và kẹp chặt trên đồ gá.
Cụ thể trên máy VMC – 650 để chạy chƣơng trình và cắt gọt, trên bảng lựa chọn
chế độ
―MODE SELECT‖ vặn tay gạt ở vị trí ―AUTO‖ và sử dụng phím ―CYCLE
START‖.
Sau khi đã soạn thảo và kiểm tra xong chƣơng trình, máy-dao-gá-chi tiết đã sẵn
sàng thì nhấn ―CYCLE START‖ chƣơng trình bắt đầu chạy, đồng thời máy thực
hiện cơng việc cắt gọt. Chƣơng trình đƣợc chạy từng câu lệnh theo thứ tự, đồng
thờitrị số của toạ độ X, Y. Z cũng biến đổi theo sự di chuyển của dụng cụ cắt.
Thay đổi tốc độ chạy dao: khi đang chạy chƣơng trình và máy đang cắt gọt,
có thể thay đổi tốc độ chạy dao (từ 0 ~

6000mm/ph) bằng công tắc nhƣ hình bên.
Thay đổi tốc độ vịng trục chính và tốc độ cắt: khi đang chạy chƣơng trình và
máy đang cắt gọt, có thể thay đổi tốc độ cắt (từ 0 ~100%), tốc độ trục chính
(từ 50 ~120%) bằng cơng tắc nhƣ hình bên.


17
1.2 Độ bóng bề mặt chi tiết gia cơng
1.2.1. Nghiên cứu về vật liệu dao và chế độ cắt khi gia công trên máy tiện CNC;
1.2.1.1. Vật liệu làm dao.
Khái niệm:
Muốn hớt đi một lớp kim loại dƣ thừa ra khỏi bềmặt cần gia cơng để đạt đƣợc
hình dáng, kích thƣớc và các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết, trên các máy gia công
kim loại bằng phƣơng pháp cắt gọt phải dùng các dụng cụ thƣờng gọi là dụng cụ
cắt
Những đặc điểm và yêu cầu cơ bản đối với vật liệu làm dao:
- Khi cắt dao làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao (800 – 10000C) có ảnh hƣởng
xấu đến cơ lý tính của vật liệu.
- Trong qúa trình cắt mỗi đơn vị diện tích trên bề mặt làm việc của dao phải chịu
lực rất lớn điều đó chỉ gây nên hiện tƣợng rạng nứt và gãy vở dao khi cắt.
- Khi cắt giữa bề mặt tiếp xúc của dao và phoi với chi tiết gia công xảy ra qúa
trình ma sát rất lớn. Hệ số ma sát lên đến (0,4 – 1).
- Nhiều trƣờng hợp khi cắt dao phải làm việc trong điều kiện bị va đập (nhƣ
phay,bào, xọc… ) và sự dao động đột ngột về nhiệt độ có ảnh hƣởng rất xấu đến
khả năng làm việc của dao.
- Ở một số phƣơng pháp gia công (chuốt,khoan) thì điều kiện thốt phoi, thốt
nhiệt khó khăn làm tăng nhiệt đo, dễ gây ra hiện tƣợng kẹt dao.
Yêu cầu đối với vật liệu làm dao.
a.Độ cứng:
Thƣờng vật liệu cần gia cơng trong chế tạo cơ khí là thép, gang… có độ cứng

cao, do đó để có thể cắt đƣợc, vật liệu làm dao phần cắt dụng cụ phải có độ cứng
cao hơn (60 – 65HRC)
b.Độ bền cơ học:
Dụng cụ cắt thƣờng phải làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt : tải trọng lớn
không ổn định, nhiệt độ cao, ma sát lớn, rung động…. Dễ làm lƣỡi cắt của dụng cụ
sứt mẻ. Do đó vật liệu làm phần cắt dụng cụ cần có độ bền cơ học (sức bền uốn,
kéo, nén, va đập…) càng cao càng tốt.
c.Tính chịu nóng:
Ở vùng cắt, nơi tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết gia công dụng cụ và chi tiết gia
công, do kim loại bị biến dạng, ma sát…nên nhiệt độ rất cao (700 – 800 oC), có khi
đạt đến hàng ngàn độ (khi mài). Ở nhiệt độ này vật liệu làm dụng cụ cắt có thể bị
thay đổi cấu trúc do chuyển biến pha làm cho các tính năng cắt giảm xuống. Vì vậy
vật liệu phần cắt dụng cụ cần có tính chịu nóng cao nghĩa là vẫn giữ đƣợc tính cắt ở
nhiệt độ cao trong một thời gian dài.
d.Tính chịu mài mòn:


18
Làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, ma sát lớn thì sự mịn dao là điều thƣờng
xảy ra. Thơng thƣờng vật liệu càng cứng thì tính chống mài mịn càng cao. Tuy
nhiên ở điều kiện nhiệt độ cao khi cắt (700 – 8000C) thì hiện tuợng mài mịn cơ học
khơng cịn là chủ yếu nữa, mà ở đây sự mài mịn chủ yếu do hiện tƣợng chảy dính
(bám dính giữa vật liệu gia công và vật liệu làm dụng cụ cắt) là cơ bản. Ngoài ra do
việc giảm độ cứng ở phần cắt do nhiệt độ cao khiến cho lúc này hiện tƣợng mịn xảy
ra càng khốc liệt.
Vì vậy, vật liệu làm phần cắt dụng cụ phải có tính chịu mịn cao.
e.Tính cơng nghệ:
Vật liệu làm dụng cụ cắt phải dể chế tạo: dễ rèn, cán, dễ tạo hình bằng cắt gọt, có
tính thấm tơi cao, dễ nhiệt luyện…
Ngồi các yêu cầu chủ yếu nêu trên, vật liệu làm phần cắt dụng cụ phải có tính

dẫn nhiệt tốt, độ dai chống va đập cao và giá thành rẻ.
Để làm phần cắt dụng cụ, ngƣời ta có thể dùng các loại dụng cụ khác nhau tuỳ
thuộc váo tính cơ lý của vật liệu cần gia công và diều kiện sản xuất cụ thể.
Dƣới đây lần lƣợt giới thiệu làm phần cắt dụng cụ theo sự phát triển và sự hoàn
thiện về khả năng làm việc của chúng
Năm

Vật liệu dụng cụ

Ve,m/ph

1894

Thép Cacbon dụng
cụ
Thép hợp kim dụng
cụ
Thép gió
Thép cải tiến
Thép gió (tăng Co và
WC)
Hợp kim cứng
Cácbitvonfram
Hợp kim cứngWC và
TiC
Kim cƣơng nhân tạo
Gốm
Nitrit Bo
Hợp kim cứng
phủ(TiC)

5

1900
1900
1908
1913
1931
1934
1955
1957
1965
1970

8

Nhiệt độ giới
hạn đặt tính
cắt 0C

200-300

Độ cứng
HRC

60
60

12
15-20

20-30

300-500
500-600
600-650

200

1000-1200

91

300

1000-1200

91-92

800

100.000HV

1500
1600
1000

92-94
8.000HV
18.000HV

300-500
100-200
300

60-64

 Thép cacbon cơng cụ:
Để đạt đƣợc độ cứng, tính chịu nhiệt và chịu mài mòn, lƣợng C trong thép
Cacbon dụng cụ không thể đƣợc dƣới 0,7% (thƣờng từ 0,7- 1,3%)và lƣợng P, S thấp
(P< 0,035%, S < 0,025%)


19
Độ cứng sau khi tôi và ram đạt HRC = 60 - 62.
-Sau khi ủ độ cứng đạt đƣợckhoảng HB = 107-217 nên dễ gia công cắt và gia
công bằng
áp lực.
Độ thấm tơi nên thƣờng tơi trong nƣớc do đó dễ gây ra nứt vỡ nhất là những
dụng cụ có kích thƣớc lớn.
-Tính chịu nóng kém, độ cứng giảm nhanh khi nhiệt độ đạt đến 200o – 300oC
ứng với tốc độ cắt 4-5 m/ph.
-Khó mài và dễ biến dạng khi nhiệt luyện do đó ít dùng để chế tạo những dụng cụ
định hình, cần phải mài theo prơphin khi chế tạo.
 Thép hợp kim dụng cụ:
Thép hợp kim dụng cụ là loại thép có hàm lƣợng Cacbon cao, ngồi ra cịn có
thêm một số ngun tố hợp kim với hàm lƣợng nhất định ( 0.5 – 3%)
Các nguyên tố hợp kim nhƣ: Cr, W, Co, V có tác dụng:
- Làm tăng tính thấm tơi của thép
- Tăng tính chịu nóng đến 300oC, tƣơng ứng với tốc độ cắt cao hơn thép cacbon
dụng cụ khoảng 20%.

Thành phần hoá học của một số nhãn hiệu thép hợp kim dụng cụ %
Kí hiệu
Nhóm Nhãn hiệu Liên xô
cũ

I

II

III

IV

Thép Cr05
85CrV

XB

Cr
9CrSi

X
9XC

C

Mn

12,5-1,1 0,2-0,4
0,8-,0,9 0,3-0,6

0,95-1,1
<0,4
0,850,3-0,6
0,95

CrMn
1,3-1,5 0,45-0,7
XG XBG
CrWMn
0,9-1,0 0,8-1,0
CrW5

XB5

1,25-,1,5

<0,3

Si

Cr

W

V

<0,35

0,040,06

0,45-0,7

-

-

-

0,15-0,3

-

-

-

<0,35

1,3-,1,6
<0,35
0,95-,1,2
1,2-1,6
5
<0,35
0,150,35

1,3-1,6
0,9-1,2

1,2-1,6

<0,3

0,4-0,7

4,5-5,5 0,15-0,30

Chú thích: C – cacbon, Mn – mangan, Si – silic, Cr – crôm, W – vonram, V –
vanadi. Ký hiệu của liên xô cũ: X – Crôm, T – mangan, B – vôngam