Tài liệu Luận án tiến sĩ nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay cao tốc

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 tôi 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 tôi 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 cô Khoa Cơ Khí Trƣờng đại học Công Nghiệp Hà Nội và thầy cô trung tâm Hồng Hải Foxcon đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi hoàn thành thí nghiệm. Và đặc biệt cảm ơn sự hỗ trợ và giúp đỡ tôi về thời gian, góp ý chuyên môn và tạo điều kiện của Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ Khí trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội. Tôi cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính, thời gian và quan tâm tạo điều kiện và giúp đỡ của Ban Giám hiệu, phòng Tổ Chức Hành Chính-Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của tôi với mẹ và cha tôi, vì nếu không có họ hỗ trợ liên tục, động viên và giúp đỡ gia đình nhỏ của tôi. Tôi 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 tôi còn nhỏ để tôi có thời gian học tập. Cuối cùng nhƣng không kém phần quan trọng đó là vợ tôi, ngƣời đồng hành của tôi trên cuộc hành trình dài này, tôi muốn cảm ơn vợ tôi vì sự kiên nhẫn của mình với tôi và với các con yêu của chúng tôi. Nếu không có sự hỗ trợ liên tục của vợ tôi thì tôi khó có thể hoàn thành công việc nghiên cứu này. Và các con tôi, tôi muốn cảm ơn các con tôi rất nhiều dù các con tôi còn nhỏ và chƣa hiểu những gì khiến tôi có ý trí, niềm tin và phấn đấu. Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2015 Tác giả Hoàng Tiến Dũng 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi 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 công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 01 tháng 09 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 quá trình gia công ...................................... 20 1.4. Lực cắt và nhiệt cắt trong quá trình gia công cao tốc ......................... 23 1.5 Ảnh hƣởng độ ổn định của máy trong quá trình gia công 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 công 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 mô 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 quá trình gia công ......................... 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 công ...... 55 2.4 Mòn 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 thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới lƣợng mòn dụng cụ cắt khi phay...................................................................................................... 67 2.5 Kết luận chƣơng 2 .............................................................................. 69 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC .................................. 70 3.1 Mô hình thực nghiệm ......................................................................... 70 3.1.1 Phân tích và thiết kế mô 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 mô hình toán 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 mô hình toán 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 mô hình toán học rung động phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc. .......................... 83 3.2.4 Thực nghiệm đo kết quả lƣợng mòn mặt sau và xây dựng mô hình toán học lƣợng mòn 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 HÓA ĐỂ TỐI ƢU HÓA VÀ TỰ TỐI ƢU QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC ............................................. 93 4.1 Đặt vấn đề .......................................................................................... 93 4.2 Tiếp cận thuật toán tiến hóa để giải bài toán tối ƣu ............................. 96 4.3 Cơ sở tối ƣu hóa quá trình cắt gọt ....................................................... 97 4 4.3.1 Khái niệm cơ bản về tối ƣu hóa quá trình gia công cắt gọt ........... 97 4.3.2 Cơ sở kinh tế kỹ thuật của tối ƣu hóa quá trình gia công cắt gọt .. 98 4.4 Bài toán tối ƣu hóa ............................................................................. 99 4.4.1 Cơ sở tối ƣu hóa thông 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 Tối ƣu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization (PSO)) ............... 103 4.5.1 Khái niệm tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) ......................................... 103 4.5.2 Mô tả thuật toán PSO................................................................. 106 4.5.3 Xây dựng giải thuật PSO ........................................................... 107 4.5.4 Giải bài toán 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 thông số cắt trong quá trình gia công ................................ 115 4.6.1 Đặt vấn đề.................................................................................. 115 4.6.2 Các nghiên cứu liên quan và mô 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 không 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 vòng ổ mm Đƣờng kính dụng cụ cắt Số lƣỡi cắt của dụng cụ cắt Tốc độ vòng quay trục chính Vòng/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 nhô 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 công Góc ăn dao Độ Góc thoát 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 Mô men cắt tức thời Công 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 công truyền thống và tốc độ cắt cao tốc Thuật toán mô 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 toán 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 toán 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 toán 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 thông số và lƣợng mòn (VB) Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phƣơng pháp ANOVA ảnh hƣởng của v, f, ar đến lƣợng mòn mặt sau (VB) Kết quả tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) Kết quả tối ƣu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán 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 đoán của Salomon) 15 Vùng tốc độ gia công 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 mòn 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 công 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 quá trình gia công 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 Khuôn đúc pha đèn trƣớc 28 Điện cực đồng để gia công EDM 29 Các kiểu khuôn điển hình để gia công cao tốc: Khuôn 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 công Sơ đồ về mô hình, mô phỏng, tối ƣu hóa và điều khiển quá trình gia 35 công trên cơ sở động lực học gia công Sơ đồ mô hình thông 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 phôi 38 Thông số hình học và hình thành phoi khi phay 38 Hình học dao phay ngón rãnh xoắn 40 Mô phỏng lực cắt dao phay ngón 4 lƣỡi góc xoắn 30o 42 Sơ đồ lực cắt tác dụng lƣỡi cắt của dao phay ngón khi gia công 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 hòa 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 thoát 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 mòn của dụng cụ Mài mòn chảy dính Mài mòn hạt mài(Cào xƣớc) Mòn khuếch tán Mòn Oxy hóa Mòn do nhiệt Mòn mặt sau dao phay ngón Mòn mặt trƣớc dao phay ngón Mòn mặt trƣớc và sau dao phay ngón Mòn tù lƣỡi cắt của dao phay ngón Lƣợng mòn 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 công 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 Mô hình thực nghiệm Hình ảnh máy HS Super MC500 Hình ảnh phôi 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 công 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 thông 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 Mô hình của một máy công 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 quá trình gia công Mô 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 không gian tìm kiếm hai chiều Quan hệ vị trí-vận tốc trong không gian hai chiều Một bày đàn toàn 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 quá trình gia công 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 công 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 thông qua quá trình gia công 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 công cao tốc còn 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 thông 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 công 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 thông số chế độ cắt là phƣơng pháp cơ bản và hiệu quả để kiểm soát chất lƣợng gia công 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 công mài, thời gian đánh bóng bề mặt sau khi gia công cao tốc nhỏ hơn rất nhiều so với phƣơng pháp gia công truyền thống, năng suất bóc tách cao hơn phƣơng pháp gia công truyền thống [46]. Tuy vậy, kéo theo đó dụng cụ cắt mòn nhanh hơn trong quá trình gia công vì tốc độ cắt lớn. Do đó, việc phân tích và xây dựng mô hình toán 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 quá trình gia công 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 quá trình: Các máy công 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 thông tin phản hồi đƣợc đo trực tiếp trong quá trình gia công để giám sát và điều chỉnh hoàn thiện sự thực thi của máy công cụ ngay trong quá trình gia công [53]. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (thuật toán tiến hóa) trong tính toán 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 thông minh tự thích nghi trong quá trình gia công, giúp tăng năng suất và chất lƣợng sản phẩm (Máy công 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 thông 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 toán tối ƣu hóa trong gia công cắt gọt nhằm tìm ra một phƣơng pháp tiếp cận mới, hƣớng giải quyết mới trong quá 12 trình đang gia công là cần thiết và có tính tất yếu trong tƣơng lai để giải quyết bài toán công 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 toán 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 toán tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc. - Xây dựng phần mềm tính toán chế độ cắt tối ƣu và tự tối ƣu hóa (Self Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công khi xét đến mòn dụng cụ cắt và độ nhám bề mặt dựa trên thuật toán 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 không 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 công đƣợc thép có độ cứng 19- 48 HRC. Đƣờng kính dao D = đƣờng kính chuôi = 20 mm. Số lƣỡi cắt : 4. Lớp phủ Cooltop (TiAlN - Titan Nhôm 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 toán học thông số chế độ cắt với lực cắt, mòn 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 công đảm bảo hàm thích nghi đa mục tiêu nhỏ nhất của độ nhám bề mặt chi tiết gia công và lƣợng mòn 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  Phân tích rõ hơn cơ sở lý thuyết động lực học gia công khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối.  Xây dựng đƣợc mô hình bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc biên dạng bằng dao phay ngón liền khối với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất với các hàm ràng buộc và miền giới hạn. Ứng dụng thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) trong xây dựng thuật toán tối ƣu và viết phần mềm giải bài toán tối ƣu hóa trên ngôn ngữ lập trình phần mềm Matlab.  Đề xuất mô hình và giải bài toán tự tối ƣu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công với hàm thích nghi đa mục tiêu (độ nhám bề mặt chi tiết và lƣợng mòn dao) nhỏ nhất. Xây dựng thuật toán 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.  Làm phong phú thêm lý thuyết tối ƣu hóa và tự tối ƣu hóa (Sefl-Optimzing), ứng dụng thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) của trí tuệ nhân tạo vào lĩnh vực cơ khí gia công - Ý nghĩa thực tiễn  Kết quả của nghiên đã xây dựng đƣợc điều kiện biên và miền giới hạn để giải bài toán tối ƣu hóa chế độ cắt đạt đƣợc độ nhám bề mặt theo yêu cầu khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối.  Xây dựng phần mềm viết bằng ngôn ngữ của phần mềm Matlab với hai chức năng xác định chế độ cắt tối ƣu với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất và xác định đƣợc tốc độ cắt và lƣợng chạy dao thích nghi theo hàm thích nghi đa mục tiêu (độ nhám và lƣợng mòn dao). Đây là công cụ hỗ trợ cho nhà công nghệ kiểm soát đƣợc chất lƣợng gia công (độ nhám), an toàn dụng cụ (tuổi thọ), lựa chọn chế độ cắt tối ƣu là cơ sở ban đầu cho máy gia công thông minh trong quá trình phay cao tốc. 5. Những đóng góp mới của đề tài - Ứng dụng phƣơng pháp phân tích phƣơng sai (ANOVA) trên phần mềm Excel để xây dựng mô hình toán 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 quá trình gia công 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 mô hình toán học quá trình phay cao tốc; Chƣơng 4 Ứng dụng thuật toán 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 vòng 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 công sẽ giảm trở lại hình 1.2. Tốc độ cắt Vc (m/phút) Hình 1.2 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon)[17] 15 Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công 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 vòng/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, công 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 công thông 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 vòng/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 yêu cầu trong gia công cao tốc thƣờng là khoảng 0.004 W/ vòng/phút (0.005 Hp/vòng/phút), trong khi trong gia công thông thƣờng, năng lƣợng đó nằm trong khoảng từ 0.2 đến 0.4 W/ vòng/phút (0.25 đến 0.5 Hp/vòng/phút). Thiết kế trục chính cho gia công cao tốc thƣờng bao gồm một mô 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 (vòng/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 công 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 thông thƣờng của trục chính cao tốc là khoảng 8.000 đến 35.000 vòng/phút, mặc dù có một số trục chính ngày nay đƣợc thiết kế để quay với vận tốc 100.000 vòng/phút. Một định nghĩa khác về gia công cao tốc là dựa vào tỉ lệ của công suất với tốc độ nhanh nhất của trục chính Hp/vòng/phút. Với máy công cụ thông thƣờng, thƣờng có tỉ lệ Hp/vòng/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/ vòng/phút. Do vậy, gia công cao tốc bao gồm các trục chính công suất từ 50Hp có thể quay ở 10.000 vòng/phút (0.005 Hp/vòng/phút) và trục chính công suất 15Hp có thể đạt tới 30.000 vòng/phút (0.0005 Hp/vòng/phút). Các định nghĩa khác thƣờng tập trung vào năng suất và thời gian gia công ngắn hơn. Trong trƣờng hợp đó, những yếu tố không cắt cũng tham gia vào. Đó là tốc độ dịch chuyển nhanh và tốc độ tự động thay 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 công 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 công nói chung và gia công cao tốc nói riêng có rất nhiều thông số ảnh hƣởng trong quá trình gia công. Tuy vậy, so với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ƣu điểm nổi bật. Nó có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công, tùy trƣờng hợp. Một số ƣu điểm khác của gia công cao tốc nhƣ sau: - Tốc độ bóc vật liệu cao. - Chất lƣợng bề mặt gia công tốt. - Độ chính xác hình dáng cao. - Có khả năng gia công đƣợc các gân mỏng. - Giảm việc tạo bavia. - Tránh gây hƣ hại bề mặt gia công. - So sánh khả năng bóc vật liệu, độ nhám bề mặt gia công 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 công 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 công 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 công cao tốc thì sự mòn 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 quá trình gia công cao tốc vấn đề này đƣợc nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và chủ yếu là mòn mặt sau của dụng cụ cắt (VB). VB Hình 1.6 Kiểu mòn trên dao phay ngón [23] (Mòn mặt sau) (Mòn ở tâm) Hình 1.7 Kiểu mòn dao phay cầu trong phay cao tốc[51] Ngoài 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 không phủ, tuy nhiên nó có thể áp dụng cho gia công 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 mòn 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 công. Ngoài ra hầu hết hình dáng hình học của dụng cụ cắt đều có thể dùng trong gia công 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 không bị mẻ trong quá 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 công Với nhiều thí nghiệm trên hợp kim nhôm 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