Luận văn ThS: Xác định miền ổn định khi gia công phay CNC tốc độ cao

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công phay CNC tốc độ cao, giúp tối ưu thông số cắt và nâng cao chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Hỗ Văn Thái
• Người hướng dẫn: TS. Phan Văn Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về miền ổn định khi phay CNC tốc độ cao

Miền ổn định là một khái niệm cơ bản trong quá trình gia công phay CNC tốc độ cao, đề cập đến vùng thông số hoạt động mà tại đó quá trình cắt diễn ra mà không có rung động bất thường. Khi phay CNC, việc xác định chính xác miền ổn định giúp nâng cao hiệu quả khai thác máy, cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt. Gia công phay tốc độ cao đòi hỏi sự cân bằng giữa tốc độ quay, chiều rộng cắt và độ sâu cắt. Việc không tuân thủ miền ổn định sẽ dẫn đến các hiện tượng rung động gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng

Miền ổn định khi phay được hiểu là tập hợp các thông số cắt (tốc độ quay, tiến suất, chiều rộng cắt) mà tại đó quá trình cắt diễn ra ổn định, không bị ảnh hưởng bởi rung động. Tầm quan trọng của việc xác định chính xác miền ổn định nằm ở khả năng tối ưu hóa hiệu suất gia công, giảm chi phí sản xuất và nâng cao độ chính xác hình học của chi tiết. Trong gia công CNC tốc độ cao, việc này trở nên cả thêm quan trọng do tác động của các lực cắt lớn và tần số dao động cao.

1.2. Mối liên hệ với rung động trong gia công

Rung động khi phay CNC là hiện tượng dao động không mong muốn của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công, phát sinh từ sự mất ổn định trong quá trình cắt. Miền ổn định chính là ranh giới phân cách giữa các trạng thái ổn định và không ổn định của hệ thống. Khi các thông số cắt nằm ngoài miền ổn định, rung động sẽ xuất hiện, gây ra các vết cứa không đều, sai số chiều sâu cắt, và tăng mức độ hao mòn dụng cụ.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến miền ổn định

Việc xác định miền ổn định khi gia công phay CNC tốc độ cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật liên quan đến cấu trúc máy, tính chất vật liệu và điều kiện cắt. Hệ số giảm chắn, tần số dao động tự nhiên của hệ thống máy, và chiều rộng ăn dao là những thông số quan trọng nhất. Độ cứng của máy phay CNC, điều kiện lắp đặt dụng cụ cắt và chất lượng của vật liệu được gia công cũng ảnh hưởng đáng kể. Mô hình lực cắt và khả năng dissipate năng lượng của hệ thống cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định miền ổn định của quá trình.

2.1. Ảnh hưởng của hệ số giảm chắn

Hệ số giảm chắn (damping ratio) biểu thị khả năng tiêu hao năng lượng dao động của hệ thống máy phay. Khi hệ số giảm chắn cao, rung động sẽ được tiêu hao nhanh hơn, nâng cao miền ổn định. Ngược lại, nếu hệ số giảm chắn thấp, hệ thống dễ bị kích thích vào trạng thái rung động, làm thu hẹp miền ổn định. Việc cải thiện hệ số giảm chắn có thể thông qua tối ưu hóa thiết kế cấu trúc máy hoặc sử dụng vật liệu có độ giảm chắn cao.

2.2. Tác động của chiều rộng cắt và tốc độ quay

Chiều rộng cắt (feed per tooth) và tốc độ quay của trục chính là hai thông số quá trình cắt có ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt tác động lên hệ thống. Khi chiều rộng cắt tăng, lực cắt tăng theo, khiến miền ổn định thu hẹp. Tốc độ quay cao có thể giúp mở rộng miền ổn định nhưng phải đảm bảo hệ thống máy có độ cứng đủ lớn. Tối ưu hóa giữa hai thông số này là chìa khóa để xác định miền ổn định hiệu quả.

III. Phương pháp nghiên cứu và xác định miền ổn định

Để xác định miền ổn định khi phay CNC tốc độ cao, các nhà nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp tiên tiến. Phương pháp phân tích dựa trên mô hình toán học của quá trình cắt, kết hợp với lý thuyết độ ổn định Lyapunov, cho phép dự đoán miền ổn định lý thuyết. Phương pháp số sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng quá trình gia công và xác định ranh giới ổn định. Phương pháp thực nghiệm sử dụng máy phay CNC thực tế để kiểm chứng lý thuyết, dựa vào các tiêu chí nhận biết rung động như âm thanh, dao động trục chính hoặc sai số hình dáng.

3.1. Phương pháp phân tích và mô phỏng số

Phương pháp phân tích xây dựng mô hình toán học dựa trên lý thuyết độ ổn định và mô hình lực cắt. Phần mềm MATLAB được sử dụng để giải phương trình vi phân mô tả quá trình cắt, từ đó xác định ranh giới ổn định. Phương pháp này nhanh chóng, chi phí thấp, nhưng cần mô hình toán chính xác. Kết quả mô phỏng cần phải được kiểm chứng bằng thực nghiệm để đảm bảo độ tin cậy.

3.2. Phương pháp thực nghiệm với tiêu chí âm thanh

Phương pháp thực nghiệm sử dụng máy phay CNC tốc độ cao để tiến hành thí nghiệm trực tiếp. Tiêu chí âm thanh là một trong những cách nhận biết rung động hiệu quả, vì tần số âm thanh phản ánh chính xác tần số rung động. Khi quá trình cắt không ổn định, âm thanh phát ra sẽ có đặc tính đặc biệt. Phương pháp này cho kết quả thực tế, nhưng đòi hỏi thời gian và chi phí cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn và giải pháp tối ưu hóa

Việc xác định miền ổn định có ứng dụng thực tiễn rất lớn trong công nghiệp gia công CNC hiện đại. Các nhà máy sản xuất có thể sử dụng miền ổn định để tối ưu hóa các thông số cắt, nâng cao năng suất gia công mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm cao. Máy phay CNC tốc độ cao được lắp đặt tại các trung tâm thực hành kỹ thuật giúp huấn luyện kỹ sư về cách vận hành máy hiệu quả. Việc áp dụng các biện pháp nâng cao ổn định như cải thiện độ cứng hệ thống, sử dụng dụng cụ cắt chất lượng cao, và tối ưu hóa tính toán thông số cắt sẽ giúp mở rộng miền ổn định và nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.1. Tối ưu hóa thông số cắt dựa trên miền ổn định

Tối ưu hóa thông số cắt bắt đầu từ việc xác định chính xác miền ổn định của hệ thống máy. Kỹ sư phải lựa chọn các thông số nằm trong vùng ổn định nhưng có lực cắt lớn để tăng tốc độ gia công. Độ sâu cắt, chiều rộng cắt, và tốc độ quay phải được điều chỉnh cân bằng. Các công cụ tính toán dựa trên mô hình ổn định giúp lựa chọn tối ưu nhanh chóng, giảm thời gian thử nghiệm và chi phí sản xuất.

4.2. Các giải pháp cải thiện tính ổn định

Cải thiện tính ổn định có thể thực hiện thông qua nhiều giải pháp kỹ thuật. Nâng cao độ cứng hệ thống máy bằng cách thiết kế lại cấu trúc hoặc sử dụng vật liệu có mô đun đàn hồi cao. Sử dụng dụng cụ cắt chất lượng cao giúp giảm rung động tự sinh. Cải thiện hệ thống làm mát dụng cụ giảm nhiệt độ tại vùng cắt, nâng cao độ cứng dụng cụ. Kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ máy phay CNC đảm bảo hệ thống luôn hoạt động trong điều kiện tối ưu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tỉnh 1.1 | Máy phay cao tộc §upsr MC 500) 16 Hình 1.2 | Vùng tốc độ gia công tộc cao một số loại vặt liệu 17 Hình 1.3 | Dỗtii quả trình phay ổn định và mất ôn định.4 | Hinh dạng cơ bản của một biểu đỗ ôn định của qưả trình phay 21 Hình 1.5 | Hiệu ứng tải sinh 24 Hình 16. | Mô là sự rưng không Lái sinh 35 Hình 1. | Mô là động lực học của một răng cŠL 30 Hình 1.8 | Biểu đỗ Ổn định đạng túi 30 Hình 1. | Đặc tính vậi lý cửa máy 30 Tinht.

| Mô hình điều kiện đầu vào.1 | Kel cau may gia cng lOc dé cao 35 1Hình 2.7 | Các loại truyền động trục chính.3 | Trụo chỉnh của máy gia công tốc độ cao 36 Hinh 2.4 [© vei bi lim bing ceramic 36 Hinh 2.5 | Vit me- dai do bi 36 Hinh 2.6 | Bàn xoay trên máy CNC 37 Hinh 2.7 | Manh hop kim ob CBX, PCBS, PCD, TiTN 40 Hình 2.8 | Dao phay hợp kim cũng NACHI G5 MILIL 1GS101I5T93841 |40 Hình 2.9 | Sơ đồ quả tình hình thành phối 40 Hình 2.10 | Sự biển dạng kim loại trong vùng cất 4l Hinh 2.12 | Các dạng phoi cát 4 Hình 2.13 | Phương trình đường xicloft (rên) và phương trình xắp xí bằng | 44 đường tròn (dưới) Hình 2.14 | Lượng chay đao khi phay 44 Hinh 3.15 | Gớc dao vào, góc đao ra trong phay nghịch (3) và phay thuận (b) 45 Hình 2.16 | Lực cắt khi phay tốc độ cao : a) phay nghịch ;b) Khi phay thuận 46 Hình 3.17 | Mô hình quá trình phay tốc độ cao 4 Hình 2.18 | BÉ mặt gia công ứng với chế độ cat on định và không on định.19 | Tân số rung động của đụng cụ cắt khí ở chế độ ổn định sl Hinh 2.20 | Tan s6 rung động của dung cụ cát ở biên giới ổn định: SI Hình 2.21 | Tân số rung động của dung cụ cắt ở chế độ mãi én định 52.22 | Đỏ thị đao động của âm và phé am SA Tĩnh 2.23 | Biêu đã Gn định về môi quan hè giữa chiều sâu cắt và tốc độ cắt 35 1linh2 24 | Biểu đô miễn dao động cưỡng bức và dao động tự kích thích.25 | Dễ thị ôn định bằng tiên chỉ âm thanh.26 | Mô hình đơn giãn của quả trình cắt giữa đựng cụ cắt và phôi.27 | Sơ đồ hàm truyền lực của hệ thông 59 Hình 2.28 | Sơ đồ hàm truyền lực rút gọn $9 Hình 2.29 | Biểu điển hảm truyền trần hệ tọa độ áo 69 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VẢ ĐÖ THỊ Hình Tên hình vẽ Trang Chương 1 Tỉnh 1.1 | Máy phay cao tộc §upsr MC 500) 16 Hình 1.2 | Vùng tốc độ gia công tộc cao một số loại vặt liệu 17 Hình 1.3 | Dỗtii quả trình phay ổn định và mất ôn định.4 | Hinh dạng cơ bản của một biểu đỗ ôn định của qưả trình phay 21 Hình 1.5 | Hiệu ứng tải sinh 24 Hình 16. | Mô là sự rưng không Lái sinh 35 Hình 1. | Mô là động lực học của một răng cŠL 30 Hình 1.8 | Biểu đỗ Ổn định đạng túi 30 Hình 1. | Đặc tính vậi lý cửa máy 30 Tinht.

| Mô hình điều kiện đầu vào.1 | Kel cau may gia cng lOc dé cao 35 1Hình 2.7 | Các loại truyền động trục chính.3 | Trụo chỉnh của máy gia công tốc độ cao 36 Hinh 2.4 [© vei bi lim bing ceramic 36 Hinh 2.5 | Vit me- dai do bi 36 Hinh 2.6 | Bàn xoay trên máy CNC 37 Hinh 2.7 | Manh hop kim ob CBX, PCBS, PCD, TiTN 40 Hình 2.8 | Dao phay hợp kim cũng NACHI G5 MILIL 1GS101I5T93841 |40 Hình 2.9 | Sơ đồ quả tình hình thành phối 40 Hình 2.10 | Sự biển dạng kim loại trong vùng cất 4l Hinh 2.12 | Các dạng phoi cát 4 Hình 2.13 | Phương trình đường xicloft (rên) và phương trình xắp xí bằng | 44 đường tròn (dưới) Hình 2.14 | Lượng chay đao khi phay 44 Hinh 3.15 | Gớc dao vào, góc đao ra trong phay nghịch (3) và phay thuận (b) 45 Hình 2.16 | Lực cắt khi phay tốc độ cao : a) phay nghịch ;b) Khi phay thuận 46 Hình 3.17 | Mô hình quá trình phay tốc độ cao 4 Hình 2.18 | BÉ mặt gia công ứng với chế độ cat on định và không on định.19 | Tân số rung động của đụng cụ cắt khí ở chế độ ổn định sl Hinh 2.20 | Tan s6 rung động của dung cụ cát ở biên giới ổn định: SI Hình 2.21 | Tân số rung động của dung cụ cắt ở chế độ mãi én định 52.22 | Đỏ thị đao động của âm và phé am SA Tĩnh 2.23 | Biêu đã Gn định về môi quan hè giữa chiều sâu cắt và tốc độ cắt 35 1linh2 24 | Biểu đô miễn dao động cưỡng bức và dao động tự kích thích.25 | Dễ thị ôn định bằng tiên chỉ âm thanh.26 | Mô hình đơn giãn của quả trình cắt giữa đựng cụ cắt và phôi.27 | Sơ đồ hàm truyền lực của hệ thông 59 Hình 2.28 | Sơ đồ hàm truyền lực rút gọn $9 Hình 2.29 | Biểu điển hảm truyền trần hệ tọa độ áo 69 - Tuổi bẳn dụng cụ - Lượng món dao - Thời gian gia ông, - Sai số ta công theo bám kinh - Ug ỗ biến cứng bé mat ~ Hiệu suất - Hệ sô ma sát ~ Góc san chính của đạo. - Góc cắt của dao. - Góc trước của đao: - Góc lệch chớnh của. - Góc lệch phụ của dao ~ Nhiệt cắt 10 Hinh 2.30 | Biểu diễn cắt 61 Hinh 3.31 | Đồ thị ôn định được xây dựng từ các đường biên ổn định.32 | Biểu dồ ốn định khi hệ số giảm chân theo phương x và y thay đỗi 65 lần lượt là 0.33 | Biếu đỗ ốn định Khi tần số dao động tự nhiên thay đối lân lượtlả | 66 750*2n, 100042n, 1500*2m radls.34 | Biểu đỗ ôn định khi số răng cắt cũa đao phay thay doi lan lượt là 67 1,2,4.35 | Biểu đỗ ôn định khi hệ số chiếu rộng ăn đao đối lân lượt là 0.5 Chương 3 Hình 3.1 | Mê hinh xây dựng biếu đồ ốn định 7 Hình 3.2 | Phương pháp gỗ thử để đo các thông số động học của hệ 72 Hình 3.3 | Cửa số nhận các tín hiệu đo dược 72 Hình 3.4 | Biên đồ phố lực 73 Hình 3.5 | Biểu đỗ phố gia tóc 73 Hình 3.6 | Biêu đồ phố chuyển vị 74 Hình 3.7 | Biểu đồ chuyên vị theo phương ox 74 Tĩnh 3.8 | Phương pháp tính đô giâm chân Bandwidth 75 lHình 3.9 | Đáp ứng tẩn số của đao đồng theo phương x 76 Tĩnh 3.10 | Sơ đỗ nghiên cửn quả trình cắt 7? Lĩnh 3.11 | Hài toán xây đụng biểu đô ấn định.12 | Sơ đồ thiết lap microphone, accelerometers 78 Hinh 3.13 | Biểu đỗ PSD của tín hiệu mierophone ở tôc độ 24000 v/p.

Chiểu sâu | 7 cất là 4,5: 4.9: 5,0 mm cho hình a, b, ø, d tình 3.14 | Biễu đỗ PSD của accelerometers ở tốc độ quay 20000v/p. Chiêu sâu | 80 calla 4,5; 4,7, 4.9; 5,0 mm cho hình ä, b, c,d Hãnh 3.15 | Sai số hình đáng.16 | Cáo yêu tổ hình học cửa lép bê mặt.1- Sóng bê xnặt, 2-nhấp nhõ bê _ | 82 trật Hình 3.17 | Thuật giải bài Loắn xây đựng biển đỗ sóng bề mặt.18 | Đỗ thị sóng bễ mặt #4 Lĩnh 3.19 | Đỗ thí sóng bễ mặt khi chế độ gia công mất ôn định 84 Hinh 3.20 | Biếu đỗ sóng bể mặt fng với chê độ gia công ổn định.21 | Thuật giải bài toán xây đựng biếu đô lựe cất 85 Hình 3.22 | Dễ thị lực cất E;(N) Theo thời gian lẫn cat 1 86 Hinh 3.23 | Dé thí luc cit Fx(N) theo thời gian lẫn cắt 7 86 Hinh 3.24 | Đồ thí lực cất Fy(N) theo thời gian lẫn cắt 27 87 Hinh 3.35 | Biếu dô sẻng bẻ mặt ứng với chẽ độ gia công ôn định.26 | Biếu đô sỏng bể mặt ứng với chẽ đỏ gia công mất én dink 89 Hinh 3.27 | Rung dong theo phuone x va y-va lực cất tac dung ln dao cat trong | 90 trưởng hợp dn dinh.28 | Rung dòng theo phương x, y va hie oat tác đụng lên đao cất trong, 9 trường hợp mat én định.29 | Rung đồng theo phương x, y và lue tác dụng lên đao cất trong trường | 92 hợp ên định 4.Thiết lập, cải dặt các thiết bị do. Nội dưng thục nghiêm. Kết quả đo và xử lý số liệu thực nghiệm.

So sánh và đánh giá kếi quả thục nghiệm. KÉT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ. TÀI LIÿU THAM KHẢO. Âm thanh khi phay ƠNC tóc đê cao.

Các phương pháp nghiên cứu én định trong quá minh phy tốc độ cao 39. Phương pháp phân tích. Phương pháp số @ 2. Cáo thông số ánh hướng dền tính ôn dịnh.

Ảnh hưởng của hệ số giảm chắn 64 3 Ảnh hướng của tần số dao động tự nhiên. Ảnh hưởng của - 67 2. Ảnh hướng của chiều rộng ăn đao. ào nào leo.9 Các liêu chỉ đánh giả ồn định - ease 9 210.

Kết luận 69 Chương 3: XÂY DUNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VẢ ỨNG DUNG PHAN MEM MATLAB XAC ĐỊNH MIEN ON DINU KIH GIA. CONG TREN MAY PHAY CNC TOC DO CAO. Ma < icine iene? 3. Xây đựng mồ hình nghiên cứu tính ổn định quá trình phay.

Mô hình bải toán nghiên cứu ôn định quá trình phạy. Các thông số của hệ thống ảnh hưởng tới biểu độ én định. Xây dụng phương pháp đo và đo độ cứng k, hệ số giảm chân c của hệ théng may phay CNC tốc độ cao. Kết quả tác dụng xưng lực theo hái phương ox và oy.

Kết quá cứa quả trình đa rung động. Xửlý số liệu thực nghiệm. Tỉnh toán độ cửng. Tinh toán khếi lượng.

Tỉnh toán hệ số giảm chân.4, Chỉ tiêu đánh giá các thông số dầu ra. Nhận biết rang động bằng âm thanh 7 3.4 1 bidt rng động bằng đo dao động đầu trục trục chính. Nhận biết rung đồng khi phay bằng sai số hình đáng, 81 3. Ung dung phin mém MATLABx phay CNC tốc độ cao 3.

Đánh giá độ tin cậy của phản mềm bằng phương pháp so sánh. 96 Chương 4: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MIỄN ON ĐỊNH KHI GIÁ CONG 'TRÊN MÁY PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO BẰNG TIỂU CHÍ ÂM THANH. Xây đựng mồ hình thực nghiệm. Phân tich va thiét ké m6 hinh thye ngbi8m.oo ee eee cece eee OF 4.

Thiết bị và thông số kỹ thuật của thực nghiệm.