Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy CNC

Chất lượng bề mặt chi tiết máy không chỉ ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ mà còn đến khả năng chống mài mòn, độ bền mỏi và độ chính xác của các mối lắp ghép. Bề mặt gia công đạt yêu cầu giúp giảm ma sát, tăng tuổi thọ của chi tiết và đảm bảo hoạt động ổn định của máy móc. Theo nghiên cứu, độ nhám bề mặt thấp có thể kéo dài tuổi thọ của chi tiết lên đến 30%. Do đó, việc kiểm soát thông số công nghệ CNC để đạt được chất lượng bề mặt mong muốn là vô cùng quan trọng.

Các thông số công nghệ CNC bao gồm tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, vật liệu gia công, dao cắt, dầu tưới nguội, và các tham số trong phần mềm CAM. Mỗi thông số này đều có ảnh hưởng riêng đến chất lượng bề mặt. Ví dụ, tốc độ cắt quá cao có thể gây ra nhiệt độ cao, làm giảm độ cứng bề mặt và tăng độ nhám. Việc điều chỉnh hợp lý các thông số này là chìa khóa để tối ưu hóa quy trình gia công CNC.

Rung động trong gia công CNC là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt chi tiết máy. Rung động có thể gây ra hiện tượng chatter, tạo ra các vết không đều trên bề mặt và làm giảm độ chính xác của quá trình gia công. Nguyên nhân của rung động có thể do nhiều yếu tố như độ cứng vững của máy, dao cắt, hoặc các thông số công nghệ không phù hợp. Để giảm rung động, cần lựa chọn dao cắt phù hợp, điều chỉnh tốc độ cắt và lượng chạy dao, đồng thời đảm bảo máy CNC hoạt động ổn định.

Độ nhám bề mặt là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết máy. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhám bao gồm tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, bán kính mũi dao, vật liệu gia công, và dầu tưới nguội. Theo tài liệu nghiên cứu, lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt. Ngoài ra, rung động trong gia công cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

Sai số kích thước và sai số hình học là những vấn đề thường gặp trong gia công CNC, đặc biệt đối với các chi tiết phức tạp. Các nguyên nhân gây ra sai số này có thể do độ chính xác của máy CNC, dao cắt bị mòn, rung động, và ứng suất nhiệt. Để giảm thiểu sai số, cần đảm bảo máy CNC được bảo trì định kỳ, sử dụng dao cắt chất lượng cao, điều chỉnh thông số công nghệ phù hợp, và sử dụng các kỹ thuật bù trừ sai số.

Ứng suất dư là ứng suất còn lại trong vật liệu sau khi quá trình gia công kết thúc. Ứng suất dư có thể có lợi hoặc có hại cho độ bền của chi tiết máy. Ứng suất dư nén có thể cải thiện độ bền mỏi và khả năng chống nứt của chi tiết, trong khi ứng suất dư kéo có thể làm giảm độ bền và tăng nguy cơ hỏng hóc. Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư bao gồm thông số cắt, nhiệt độ gia công, và phương pháp gia công.

Mỗi vật liệu gia công đều có một phạm vi tốc độ cắt tối ưu riêng. Tốc độ cắt quá thấp có thể dẫn đến tăng lực cắt, gây ra rung động và làm giảm chất lượng bề mặt. Tốc độ cắt quá cao có thể gây ra nhiệt độ cao, làm mòn dao cắt nhanh chóng và ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước. Việc tham khảo các bảng thông số kỹ thuật của dao cắt và vật liệu gia công là bước đầu tiên để xác định phạm vi tốc độ cắt phù hợp.

Phần mềm CAM cung cấp các công cụ mô phỏng gia công mạnh mẽ, cho phép người dùng kiểm tra ảnh hưởng của các thông số cắt đến chất lượng bề mặt và tuổi thọ dao cắt trước khi thực hiện gia công thực tế. Các phần mềm mô phỏng có thể dự đoán độ nhám bề mặt, lực cắt, nhiệt độ, và rung động, giúp người dùng điều chỉnh thông số cắt để đạt được kết quả gia công tốt nhất. Sử dụng phần mềm mô phỏng giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thử nghiệm.

Sau khi sử dụng phần mềm mô phỏng, cần thực hiện các thí nghiệm thực tế để xác định tốc độ cắt tối ưu cho quá trình gia công. Các thí nghiệm này nên được thực hiện với các thông số cắt khác nhau, và kết quả nên được đánh giá bằng các thiết bị đo độ nhám bề mặt, sai số kích thước, và sai số hình học. Dữ liệu thu thập được từ các thí nghiệm sẽ giúp xác định tốc độ cắt mang lại chất lượng bề mặt tốt nhất và tuổi thọ dao cắt dài nhất.

Thông thường, lượng chạy dao càng lớn thì độ nhám bề mặt càng cao. Tuy nhiên, mối quan hệ này không phải lúc nào cũng tuyến tính. Lượng chạy dao quá nhỏ có thể dẫn đến tăng thời gian gia công và làm giảm năng suất. Việc xác định mối quan hệ chính xác giữa lượng chạy dao và độ nhám bề mặt là rất quan trọng để tìm ra giá trị lượng chạy dao tối ưu.

Có nhiều công thức khác nhau để tính toán lượng chạy dao tối ưu dựa trên các yếu tố như bán kính mũi dao, góc cắt, và yêu cầu về độ nhám bề mặt. Một công thức phổ biến là: f = √(8 * Ra * r), trong đó f là lượng chạy dao, Ra là độ nhám bề mặt mong muốn, và r là bán kính mũi dao. Tuy nhiên, công thức này chỉ là một ước tính ban đầu, và cần được điều chỉnh dựa trên các thí nghiệm thực tế.

Sau khi tính toán lượng chạy dao bằng công thức, cần thực hiện các thí nghiệm thực tế để kiểm chứng kết quả. Các thí nghiệm này nên được thực hiện với các lượng chạy dao khác nhau, và kết quả nên được đánh giá bằng các thiết bị đo độ nhám bề mặt. Dữ liệu thu thập được từ các thí nghiệm sẽ giúp xác định lượng chạy dao thực sự tối ưu cho quá trình gia công.

Có nhiều phương pháp khác nhau để đo độ nhám bề mặt, bao gồm phương pháp tiếp xúc (sử dụng stylus) và phương pháp không tiếp xúc (sử dụng laser hoặc ánh sáng). Phương pháp tiếp xúc thường cho kết quả chính xác hơn, nhưng có thể gây ra hư hại cho bề mặt mềm. Phương pháp không tiếp xúc phù hợp cho các bề mặt nhạy cảm, nhưng có thể kém chính xác hơn. Việc lựa chọn phương pháp đo phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác và tính chất của vật liệu.

Sai số kích thước và hình học có thể được kiểm tra bằng các thiết bị đo như máy đo tọa độ (CMM), thước cặp, panme, và các dụng cụ đo chuyên dụng. Việc kiểm tra nên được thực hiện theo tiêu chuẩn và quy trình nhất định để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Các sai số phát hiện được cần được ghi lại và phân tích để xác định nguyên nhân và giải pháp khắc phục.

Ứng suất dư có thể được đánh giá bằng các phương pháp như phương pháp nhiễu xạ tia X, phương pháp khoét lỗ, và phương pháp biến dạng. Việc phân tích cấu trúc vật liệu có thể được thực hiện bằng các kỹ thuật như kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi quang học. Kết quả đánh giá ứng suất dư và phân tích cấu trúc vật liệu sẽ cung cấp thông tin quan trọng về ảnh hưởng của quá trình gia công đến tính chất cơ học của chi tiết.

AI và Machine Learning có tiềm năng lớn trong việc tối ưu hóa thông số công nghệ trong gia công CNC. Các thuật toán AI có thể học từ dữ liệu thực tế và mô phỏng gia công để dự đoán ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng bề mặt và tuổi thọ dao cắt. Dựa trên dự đoán này, AI có thể tự động điều chỉnh thông số để đạt được kết quả gia công tốt nhất.

Việc phát triển các vật liệu gia công và dao cắt mới cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng gia công CNC. Các vật liệu mới có độ bền cao hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn, cho phép gia công với tốc độ cắt cao hơn và lượng chạy dao lớn hơn mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt. Các dao cắt mới có thiết kế tối ưu và lớp phủ tiên tiến, giúp giảm lực cắt và nhiệt độ, cải thiện độ chính xác và kéo dài tuổi thọ.