Nghiên cứu tiện ren CNC NEF 400: Ảnh hưởng đến độ nhám và chi phí điện năng

Tối ưu quá trình tiện ren CNC trên máy NEF 400. Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng gia công.

• Tác giả: Đỗ Đăng Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Thái
• Trường học: Trường Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng khi tiện Ren trên máy tiện CNC-NEF 400
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Đồng Nai

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• BẢN NHẬN XÉT
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về máy tiện CNC
• 2. Chương 2: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• 2.2.1. Thiết bị gia công
• 2.2.2. Vật liệu, chi tiết gia công và dao cắt
• 2.3. Các chỉ tiêu và tham số nghiên cứu
• 2.4. Nội dung nghiên cứu
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
• 2.5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 3. Chương 3: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Động học và động lực học quá trình cắt
• 3.1.1. Động học của quá trình cắt
• 3.2. Chất lượng gia công
• 3.2.1. Chất lượng bề mặt gia công
• 3.2.1.1. Độ nhám bề mặt gia công
• 3.2.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt gia công
• 3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện ren trên máy tiện CNC
• 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí điện năng riêng khi tiện ren trên máy tiện CNC
• 3.5. Xác định năng suất gia công khi tiện ren
• 4. Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mục tiêu thực nghiệm và các tham số điều khiển
• 4.1.1. Mục tiêu thực nghiệm
• 4.1.2. Các tham số điều khiển và khoảng giới hạn của chúng
• 4.2. Lập trình gia công trên máy tiện CNC – NEF 400
• 4.3. Thiết bị đo và phương pháp điều khiển các yếu tố ảnh hưởng
• 4.4. Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố
• 4.4.1. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của vận tốc cắt đến các hàm mục tiêu
• 4.4.2. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến các hàm tương quan
• 4.5. Thực nghiệm đa yếu tố
• 4.5.1. Chọn vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của thông số đầu vào
• 4.5.2. Xây dựng ma trận thực nghiệm
• 4.5.3. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố
• 4.6. Xác định giá trị tối ưu của tham số ảnh hưởng
• 4.6.1. Lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu
• 4.6.2. Xác định giá thông số sử dụng hợp lý của máy tiện CNC NEF- 400
• 4.7. Thực nghiệm tiện theo chế độ tối ưu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Tiện ren CNC Hiểu đúng về độ nhám và chi phí điện năng

Tiện ren trên máy tiện CNC là một trong những nguyên công nền tảng của ngành gia công cơ khí chính xác. Quá trình này không chỉ đòi hỏi độ chính xác cao về hình học ren mà còn phải đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về chất lượng bề mặt và hiệu quả kinh tế. Hai chỉ tiêu quan trọng nhất quyết định sự thành công của quy trình này là độ nhám bề mặt và chi phí điện năng tiêu thụ. Độ nhám, được biểu thị qua các thông số như Ra và Rz, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền mỏi và tính thẩm mỹ của mối ghép ren. Một bề mặt quá nhám có thể gây mài mòn nhanh, giảm hiệu quả truyền động và thậm chí gây phá hủy chi tiết. Ngược lại, chi phí điện năng là một yếu tố kinh tế then chốt, tác động trực tiếp đến giá thành sản phẩm. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất không chỉ dừng lại ở việc tạo ra sản phẩm chất lượng mà còn phải đảm bảo tiết kiệm năng lượng trong sản xuất, giảm chi phí vận hành và tăng khả năng cạnh tranh. Nghiên cứu của Đỗ Đăng Khoa về “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng khi tiện Ren trên máy tiện CNC-NEF 400” đã cung cấp một cơ sở khoa học vững chắc, chứng minh rằng việc lựa chọn chế độ cắt khi tiện ren một cách hợp lý có thể đồng thời cải thiện cả hai yếu tố này.

1.1. Định nghĩa độ nhám bề mặt Ra Rz trong gia công

Độ nhám bề mặt Ra, Rz là các chỉ tiêu định lượng dùng để đánh giá mức độ gồ ghề của bề mặt chi tiết sau khi gia công. Ra (Sai lệch trung bình số học của profin) là giá trị trung bình tuyệt đối của các sai lệch profin trong khoảng chiều dài chuẩn. Trong khi đó, Rz (Chiều cao nhấp nhô trung bình của profin) là giá trị trung bình của tổng các chiều cao đỉnh và chiều sâu đáy lớn nhất trong năm khoảng chiều dài chuẩn liên tiếp. Trong gia công cơ khí chính xác, việc kiểm soát Ra và Rz là cực kỳ quan trọng, đặc biệt với các chi tiết ren yêu cầu độ kín khít và khả năng chống mài mòn cao. Các thông số này không chỉ phản ánh chất lượng của quá trình cắt gọt mà còn liên quan mật thiết đến tuổi thọ dao cụ và sự ổn định của hệ thống công nghệ.

1.2. Mối liên hệ giữa hiệu suất gia công và điện năng tiêu thụ

Hiệu suất gia công và việc đo lường điện năng tiêu thụ có mối quan hệ chặt chẽ. Một quy trình gia công hiệu quả không chỉ tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu trong thời gian ngắn nhất mà còn phải tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể. Chi phí năng lượng riêng (Nr), tính bằng Wh/m³, là một chỉ số đo lường trực tiếp hiệu quả sử dụng năng lượng. Việc giảm chỉ số này đồng nghĩa với việc tối ưu hóa công suất máy, giảm tải cho động cơ và hệ thống truyền động. Các yếu tố như lực cắt, mài mòn dao cụ, và ma sát trong vùng cắt đều góp phần làm tăng điện năng tiêu thụ. Do đó, việc tìm ra một bộ thông số cắt gọt tối ưu là giải pháp then chốt để cân bằng giữa năng suất, chất lượng và hiệu quả kinh tế.

II. Thách thức trong tiện ren Cân bằng độ nhám và năng lượng

Quá trình tiện ren CNC luôn tồn tại những thách thức cố hữu, trong đó nổi bật là bài toán cân bằng giữa việc đạt được độ nhám bề mặt mong muốn và tối thiểu hóa chi phí điện năng. Hai mục tiêu này thường mâu thuẫn với nhau. Ví dụ, việc tăng tốc độ cắt có thể cải thiện độ bóng bề mặt đến một ngưỡng nhất định nhưng lại làm tăng công suất tiêu thụ và đẩy nhanh quá trình mài mòn dao cụ. Ngược lại, giảm tốc độ cắt để tiết kiệm năng lượng có thể dẫn đến hiện tượng lẹo dao, làm xấu bề mặt gia công. Thêm vào đó, các yếu tố như vật liệu phôi (thép, inox, nhôm), hình dạng dao tiện ren, và sự ổn định của máy tiện CNC đều là những biến số phức tạp. Tài liệu nghiên cứu cho thấy, việc lựa chọn sai chế độ cắt khi tiện ren không chỉ làm giảm chất lượng sản phẩm mà còn gây lãng phí lớn về năng lượng và chi phí thay thế insert tiện ren. Việc không khai thác hết khả năng của thiết bị CNC hiện đại là một trong những nguyên nhân chính làm giảm khả năng cạnh tranh của các doanh nghiệp cơ khí. Do đó, việc xây dựng một phương pháp luận khoa học để xác định chế độ cắt tối ưu trở thành một yêu cầu cấp thiết trong sản xuất hiện đại.

2.1. Phân tích các yếu tố gây mài mòn dao cụ nhanh chóng

Mài mòn dao cụ là hiện tượng không thể tránh khỏi trong gia công cắt gọt và là một trong những nguyên nhân chính làm tăng chi phí sản xuất. Các yếu tố chính gây mài mòn mảnh dao tiện bao gồm nhiệt độ cao trong vùng cắt, áp suất lớn lên lưỡi cắt và ma sát giữa phoi, phôi và dao. Việc lựa chọn thông số cắt gọt không phù hợp, chẳng hạn như tốc độ cắt vc quá cao hoặc chiều sâu cắt ap quá lớn, sẽ làm gia tăng các yếu tố này một cách đột ngột, rút ngắn đáng kể tuổi thọ dao cụ. Ngoài ra, việc thiếu hoặc sử dụng không hiệu quả dung dịch tưới nguội cũng là nguyên nhân khiến nhiệt độ không được kiểm soát, dẫn đến mài mòn hóa học và làm mềm lưỡi cắt.

2.2. Ảnh hưởng của thông số cắt gọt đến chất lượng sản phẩm

Chất lượng sản phẩm tiện ren phụ thuộc trực tiếp vào việc lựa chọn bộ thông số cắt gọt. Tốc độ cắt vc, bước tiến dao f (trong tiện ren chính là bước ren P), và chiều sâu cắt ap là ba yếu tố quyết định. Một tốc độ cắt quá thấp có thể gây ra hiện tượng lẹo dao, làm bề mặt sần sùi. Ngược lại, tốc độ quá cao gây rung động, tạo ra các vết xước trên bề mặt ren. Chiều sâu cắt ảnh hưởng đến lực cắt và sự biến dạng của phôi, tác động đến độ chính xác của profin ren. Việc thiết lập các thông số này một cách tùy tiện, không dựa trên cơ sở khoa học và thực nghiệm, sẽ dẫn đến sản phẩm không đạt yêu cầu kỹ thuật, sai hỏng hàng loạt và lãng phí tài nguyên.

III. Bí quyết tối ưu chế độ cắt khi tiện ren cho mọi vật liệu

Để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa chất lượng bề mặt và hiệu quả năng lượng, việc lựa chọn chế độ cắt khi tiện ren phải dựa trên một phương pháp luận khoa học. Đây không phải là quá trình thử và sai, mà là việc phân tích và áp dụng các nguyên tắc cơ bản của động học cắt gọt. Ba tham số cốt lõi cần được kiểm soát chặt chẽ là tốc độ cắt vc, bước tiến dao f (bước ren), và chiều sâu cắt ap. Mối quan hệ giữa ba thông số này không tuyến tính và phụ thuộc rất nhiều vào loại vật liệu phôi (thép, inox, nhôm), độ cứng của vật liệu, và loại dao tiện ren được sử dụng. Một bí quyết quan trọng là bắt đầu với các khuyến nghị từ nhà sản xuất dao cụ, sau đó tinh chỉnh dựa trên kết quả thực nghiệm. Ví dụ, đối với thép C45, nghiên cứu cho thấy tồn tại một khoảng giá trị tốc độ cắt tối ưu mà tại đó độ nhám bề mặt Ra đạt giá trị cực tiểu. Vượt ra ngoài khoảng này, chất lượng bề mặt sẽ suy giảm nhanh chóng. Tương tự, việc phân bổ chiều sâu cắt hợp lý qua nhiều lượt cắt thay vì một lượt cắt sâu sẽ giúp giảm lực cắt, ổn định quá trình gia công và cải thiện độ nhám đáng kể.

3.1. Tầm quan trọng của tốc độ cắt vc và bước tiến dao f

Tốc độ cắt vc là thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt độ vùng cắt và chất lượng bề mặt. Một tốc độ cắt phù hợp giúp tạo ra phoi chảy liên tục, giảm thiểu rung động và đạt được bề mặt bóng mịn. Bước tiến dao f, trong tiện ren tương ứng với bước ren P, là một hằng số cho mỗi loại ren cụ thể. Tuy nhiên, trong các chu trình tiện ren nhiều lượt, việc kiểm soát lượng ăn dao mỗi lượt cắt (liên quan đến chiều sâu cắt ap) lại trở nên quan trọng. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa tốc độ quay trục chính (n) và bước tiến dao (f) quyết định sự hình thành chính xác của profin ren.

3.2. Lựa chọn chiều sâu cắt ap phù hợp cho thép inox nhôm

Chiều sâu cắt ap quyết định lượng vật liệu được loại bỏ trong mỗi lượt cắt và ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, công suất tiêu thụ và độ ổn định của hệ thống. Đối với các vật liệu cứng như inox, nên chọn chiều sâu cắt nhỏ và thực hiện nhiều lượt để tránh làm mẻ insert tiện ren và giảm biến dạng nhiệt. Với thép C45, có thể áp dụng chiều sâu cắt lớn hơn. Còn đối với nhôm, một vật liệu mềm và dẻo, có thể chọn tốc độ cắt cao và chiều sâu cắt lớn để tăng hiệu suất gia công, nhưng cần chú ý đến việc thoát phoi để tránh làm hỏng bề mặt ren. Việc phân bổ chiều sâu cắt giảm dần ở các lượt cuối cùng là một kỹ thuật hiệu quả để cải thiện độ bóng.

3.3. Vai trò của dung dịch tưới nguội trong quá trình tiện

Dung dịch tưới nguội đóng vai trò kép trong quá trình tiện ren: bôi trơn và làm mát. Chức năng làm mát giúp giảm nhiệt độ tại vùng cắt, ngăn ngừa biến dạng nhiệt của chi tiết và duy trì độ cứng của lưỡi cắt, từ đó kéo dài tuổi thọ dao cụ. Chức năng bôi trơn giúp giảm ma sát giữa dao, phôi và phoi, làm giảm lực cắt và điện năng tiêu thụ. Việc sử dụng đúng loại dung dịch tưới nguội với áp suất và lưu lượng phù hợp là yếu tố không thể thiếu để đạt được độ nhám bề mặt thấp và tối ưu hóa toàn bộ quy trình.

IV. Phương pháp chọn dao lập trình tiện ren G76 G92 hiệu quả

Bên cạnh việc tối ưu chế độ cắt, lựa chọn công cụ và phương pháp lập trình phù hợp là yếu tố quyết định đến hiệu suất gia công và chất lượng sản phẩm ren. Việc lựa chọn dao tiện ren và insert tiện ren phải dựa trên các tiêu chí cụ thể như loại ren (hệ mét, hệ inch), bước ren, và vật liệu phôi. Mỗi loại vật liệu yêu cầu một loại mảnh dao tiện có lớp phủ và góc hình học riêng để đảm bảo thoát phoi tốt và chống mài mòn hiệu quả. Sau khi chọn được dao cụ, bước tiếp theo là lập trình tiện ren. Trong điều khiển CNC, hai chu trình phổ biến nhất là G92 và G76. G92 là chu trình tiện ren đơn giản, thực hiện từng lớp cắt một cách độc lập. Trong khi đó, G76 là chu trình tiện ren phức hợp, cho phép tự động tính toán và thực hiện toàn bộ quá trình tiện ren chỉ trong một khối lệnh, bao gồm cả việc cắt thô và cắt tinh. Việc sử dụng thành thạo chu trình G76 không chỉ giúp rút ngắn thời gian lập trình mà còn cho phép kiểm soát tốt hơn chiều sâu cắt ở mỗi lượt, góc vào dao, giúp tối ưu hóa quá trình và nâng cao chất lượng ren.

4.1. Cách chọn dao tiện ren và insert tiện ren phù hợp

Việc lựa chọn dao tiện ren bắt đầu từ việc xác định profin ren (ví dụ, ren tam giác hệ mét 60 độ). Tiếp theo, cần chọn insert tiện ren (mảnh dao) phù hợp. Các yếu tố cần xem xét bao gồm vật liệu của insert (carbide có lớp phủ PVD/CVD), hình dạng bẻ phoi (chip breaker) phù hợp với vật liệu gia công, và kích thước insert tương thích với cán dao. Sử dụng một insert có bán kính mũi dao (corner radius) phù hợp sẽ giúp cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt và tăng độ bền cho chân ren. Đối với các vật liệu khác nhau như thép, inox, nhôm, nhà sản xuất dao cụ thường có các dòng sản phẩm chuyên dụng để tối ưu hóa hiệu quả cắt.

4.2. Lập trình chu trình G76 và G92 cho máy tiện CNC

Lập trình tiện ren G92 là phương pháp cơ bản, trong đó người lập trình phải tự định nghĩa tọa độ Z và X cho mỗi lượt cắt. Phương pháp này đơn giản nhưng tốn thời gian và khó tối ưu hóa. Ngược lại, chu trình G76 cung cấp khả năng tự động hóa cao. Chỉ với một dòng lệnh, người dùng có thể khai báo các tham số như tổng chiều sâu ren, chiều sâu lớp cắt đầu tiên, chiều sâu lớp cắt cuối cùng, góc vát ren... Máy sẽ tự động tính toán số lượt cắt và lượng ăn dao giảm dần, giúp giảm tải cho dao ở những lượt cắt cuối, đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt. Sử dụng G76 là phương pháp được khuyến nghị trong sản xuất hàng loạt để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

V. Hướng dẫn tối ưu độ nhám điện năng theo nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò then chốt trong việc xác định các thông số cắt gọt tối ưu. Luận văn của Đỗ Đăng Khoa thực hiện trên máy tiện CNC - NEF 400 với vật liệu thép C45 đã cung cấp những dữ liệu quý giá. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, nghiên cứu đã xây dựng thành công các mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các thông số đầu vào (vận tốc cắt, chiều sâu cắt) và các hàm mục tiêu (độ nhám bề mặt, chi phí điện năng riêng). Kết quả chỉ ra rằng, tồn tại một vùng làm việc tối ưu nơi cả hai chỉ tiêu này đều được cải thiện. Cụ thể, ảnh hưởng của tốc độ cắt vc đến độ nhám bề mặt Ra có dạng parabol, nghĩa là có một giá trị tốc độ cắt lý tưởng để độ nhám đạt cực tiểu. Tương tự, chiều sâu cắt ap cũng ảnh hưởng đáng kể đến điện năng tiêu thụ. Dựa trên các mô hình này, có thể áp dụng các phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu để tìm ra một bộ thông số công nghệ hợp lý, giúp các nhà sản xuất không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng trong sản xuất.

5.1. Mô hình hóa mối quan hệ giữa chế độ cắt và kết quả

Dựa trên phương pháp phân tích hồi quy từ dữ liệu thực nghiệm, các phương trình toán học đã được thiết lập để dự báo độ nhám bề mặt Ra, Rz và chi phí điện năng riêng (Nr) dựa trên các biến tốc độ cắt vc và chiều sâu cắt ap. Các mô hình này, sau khi được kiểm tra tính tương thích bằng tiêu chuẩn Fisher, đã chứng tỏ độ tin cậy cao. Chúng trở thành công cụ mạnh mẽ cho phép các kỹ sư dự đoán kết quả gia công mà không cần thực hiện nhiều thí nghiệm tốn kém, làm cơ sở cho việc tối ưu hóa quy trình sản xuất một cách khoa học.

5.2. Kết quả thực nghiệm trên máy tiện CNC NEF 400

Thực nghiệm trên máy tiện CNC - NEF 400 cho thấy khi gia công thép C45, việc tăng tốc độ cắt vc từ thấp lên cao ban đầu làm giảm độ nhám bề mặt, nhưng sau khi vượt qua một ngưỡng nhất định, độ nhám lại tăng lên do rung động và mài mòn dao. Trong khi đó, chi phí điện năng riêng có xu hướng giảm khi tăng tốc độ cắt và chiều sâu cắt, do thời gian gia công được rút ngắn. Những kết quả này khẳng định sự tồn tại của một điểm cân bằng, nơi có thể đạt được chất lượng bề mặt tốt với chi phí năng lượng hợp lý.

5.3. Xác định thông số tối ưu để tiết kiệm năng lượng

Bằng cách sử dụng phương pháp hàm tổng quát để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, nghiên cứu đã xác định được bộ thông số cắt gọt hợp lý. Bộ thông số này không nhất thiết phải là điểm mà tại đó độ nhám bề mặt là nhỏ nhất tuyệt đối, hoặc điện năng tiêu thụ là thấp nhất tuyệt đối. Thay vào đó, nó là một giải pháp dung hòa, mang lại hiệu quả tổng thể cao nhất. Việc áp dụng chế độ cắt tối ưu này vào thực tế sản xuất đã được kiểm chứng và cho thấy sự cải thiện rõ rệt về cả chất lượng và chi phí, chứng minh tính thực tiễn của nghiên cứu.

VI. Xu hướng tương lai của tiện ren CNC và sản xuất bền vững

Ngành gia công cơ khí chính xác đang bước vào một kỷ nguyên mới với sự hội tụ của công nghệ số và yêu cầu về sản xuất bền vững. Tương lai của tiện ren CNC không chỉ tập trung vào việc nâng cao độ chính xác và năng suất, mà còn hướng đến việc tối ưu hóa quy trình sản xuất một cách toàn diện, đặc biệt là trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng. Các hệ thống máy CNC thông minh, được trang bị cảm biến để đo lường điện năng tiêu thụ và tình trạng mài mòn dao cụ theo thời gian thực, sẽ tự động điều chỉnh chế độ cắt để duy trì hiệu suất tối ưu. Trí tuệ nhân tạo (AI) và Học máy (Machine Learning) sẽ được ứng dụng để phân tích dữ liệu gia công lớn, từ đó xây dựng các mô hình dự báo chính xác hơn, giúp lựa chọn thông số cắt gọt lý tưởng cho từng loại vật liệu và ứng dụng cụ thể. Xu hướng này không chỉ giúp doanh nghiệp giảm chi phí vận hành, nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn góp phần quan trọng vào việc bảo vệ môi trường, phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững toàn cầu.

6.1. Tối ưu hóa quy trình sản xuất hướng tới Công nghiệp 4.0

Trong bối cảnh Công nghiệp 4.0, tối ưu hóa quy trình sản xuất không còn là một công việc riêng lẻ mà là một phần của một hệ sinh thái kết nối. Dữ liệu từ máy tiện CNC sẽ được tích hợp với hệ thống quản lý sản xuất (MES) và hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP). Điều này cho phép quản lý toàn bộ vòng đời sản phẩm, từ khâu thiết kế (CAD/CAM), lựa chọn chế độ gia công tối ưu, đến theo dõi chất lượng và chi phí sản xuất. Các hệ thống điều khiển CNC thế hệ mới sẽ có khả năng tự học và thích ứng, giảm sự phụ thuộc vào kinh nghiệm của người vận hành và đảm bảo hiệu suất gia công ổn định.

6.2. Triển vọng tiết kiệm năng lượng trong gia công cơ khí

Triển vọng tiết kiệm năng lượng trong sản xuất cơ khí là rất lớn. Các nghiên cứu như đã phân tích là bước khởi đầu quan trọng. Trong tương lai, việc phát triển các vật liệu dao cắt mới có khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn tốt hơn sẽ cho phép gia công ở tốc độ cao hơn mà không cần dung dịch tưới nguội (gia công khô), giúp tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường. Đồng thời, các thiết kế máy CNC tiết kiệm năng lượng với hệ thống truyền động hiệu suất cao và chế độ chờ thông minh sẽ trở thành tiêu chuẩn. Việc tối ưu hóa không chỉ dừng ở cấp độ máy móc mà còn ở cấp độ nhà xưởng, tạo ra một quy trình sản xuất xanh và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.Tổng quan về máy tiện CNC : Máy tiện CNC có đặc điểm cấu tạo tương tự như máy tiện thông thường. Đối với tiện thông thường khi gia công cắt gọt chi tiết người điều khiển phải theo dõi vị trí dao cắt, thao tác kịp thời chế tạo ra những chi tiết đạt yêu cầu kỹ thuật. Độ chính xác, năng xuất phụ thuộc vào trình độ tay nghề người điều khiển. Máy CNC hoạt động theo một chương trình đã được lập trình theo một quy tắc chặt chẽ phù hợp với quy trình công nghệ được soạn thảo và cài đặt phần mềm trong máy.

Kết quả làm việc của máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển. Lúc này người điều khiển máy chủ yếu đóng vai trò theo dõi và kiểm tra các chức năng hoạt động của máy. Những nét đặc trưng cơ bản của máy tiện CNC: - Tự động hoá cao; - Tốc độ dịch chuyển, tốc độ quay lớn (> 1000vòng /phút); - Độ chính xác cao (sai lệch kích thước < 0,001 mm); - Năng xuất gia công cao gấp 3 lần máy tiện thường; - Tính linh hoạt cao thích nghi nhanh với các đối tượng gia công phù hợp với sản xuất loạt nhỏ. Hình dáng kết cấu của máy tiện NC cũng tương tự máy tiện thông thường, ngoài ra máy tiện CNC còn có một số đặc điểm riêng sau (Hình 1.1: Cấu tạo bên ngoài của máy tiện CNC 1.

Ụ đứng: Là bộ phận làm việc chủ yếu của máy tạo ra vận tốc cắt gọt. Bên trong lắp trục chính, động cơ bước (điều chỉnh được các tốc độ và thay đổi được chiều quay). Trên đầu trục chính một đầu được lắp với mâm cặp dùng để gá và kẹp chặt chi tiết gia công. Phía sau trục chính lắp hệ thống thủy lực hoặc khí nén để đóng, mở, kẹp chặt chi tiết.

Truyền động chính: Động cơ của trục chính của máy tiện CNC có thể là động cơ một chiều hoặc động cơ xoay chiều. 5 Động cơ dòng một chiều điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng kích từ. Động cơ dòng xoay chiều thì điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng bộ biến đổi tần thay đổi số vòng quay đơn giản có mô men truyền tải cao. Truyền động chạy dao: Động cơ (một chiều, xoay chiều) truyền chuyển động bộ vít me đai ốc bi làm cho từng trục chạy dao độc lập (trục X,Z).

Các loại động cơ này có đặc tính động học ưu việt cho quá trình cắt, quá trình phanh hãm do mô men quán tính nhỏ nên độ chính xác điều chỉnh cao và chính xác. Bộ vít me / đai ốc/ bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng ít ma sát, có thể chỉnh khe hở hợp lý khi truyền dẫn với tốc độ cao (Hình 1. Trong đó : Đường nối giữa bảng điều khiển và CPU. Đường nối giữa CPU với hệ thống động cơ chạy dao.

Đường phản hồi từ động cơ đến CPU. Đường nối giữa CPU đến đầu ụ đứng. Đường phản hồi từ ụ đứng về CPU.2: Hệ thống truyền động chạy dao của máy tiện CNC ,,,,,- Các đường truyền liên hệ giữa các động cơ bộ sử lý trung tâm (CPU) của hệ điều khiển. Mâm cặp: Quá trình đóng mở và hãm mâm cặp để tháo lắp chi tiết bằng hệ thống thuỷ lực (hoặc khí nén) hoạt động nhanh, lực phát động nhỏ và an toàn.

Đối với máy tiện CNC thường được gia công với tốc độ rất cao. Số vòng quay của trục chính lớn (có thể lên tới 8000 v/ph - khi gia công kim loại màu ). Do đó lực ly tâm là rất lớn nên các mâm cặp thường được kẹp chặt bằng hệ thống thuỷ lực (hoặc khí nén) tự động. Ụ động: Bộ phận này bao gồm nhiều chi tiết dùng để định tâm và gá lắp chi tiết, điều chỉnh, kẹp chặt nhờ hệ thống thuỷ lực (hoặc khí nén).

Hệ thống bàn xe dao: Bao gồm hai bộ phận chính sau: a. Giá đỡ ổ tích dao: (Bàn xe dao) Bộ phận này là bộ phận đỡ ổ chứa dao thực hiện các chuyển động tịnh tiến ra, vào song song, vuông góc với trục chính nhờ các động cơ bước (các chuyển động này đã được lập trình sẵn) b. + Đầu Rơvonve cho phép thay nhanh dao trong một thời gian ngắn đã chỉ định, còn ổ chứa dao thì mang một số lượng lớn dao mà không gây nguy hiểm, va chạm trong vùng làm việc của máy tiện. Trong cả hai trường hợp chuôi của dao thường được kẹp trong khối mang dao tại những vị trí xác định trên bàn xe dao.

Các khối mang dao phù hợp với các giá đỡ dao trên máy tiện và được tiêu chuẩn hoá. Các kết cấu của đầu Rơvonve tùy thuộc vào công dụng và yêu cầu công nghệ của từng loại máy. Bao gồm các đầu Rơvônve (kiểu chữ thập, các đầu Rơvônve kiểu chữ thập kiểu đĩa kiểu hình trống). Phổ biến đầu Rơvonve của các loại máy tiện CNC có kết cấu như hình1.

8 Đầu rơ-von-ve có thể lắp được các loại dao: Tiện, phay, khoan, khoét, cắt ren… được tiêu chuẩn hoá phần chuôi có thể lắp lẫn và lắp ghép với các đồ gá ở trên đầu rơ-vôn-ve. + Ổ chứa dụng cụ dùng cho máy tiện CNC Các ổ chứa dao cụ thường được sử dụng ít hơn so với đầu rơ-vôn-ve vì việc thay đổi dụng cụ khó khăn so với các cơ cấu của đầu rơ-vôn-ve. Song ổ chứa có ưu điểm là an toàn, ít gây ra va chạm trong vùng gia công, dễ dàng ghép nối một số lớn các dụng cụ một cách tự động mà không cần sự can thiệp bằng tay. Hệ thống gá đặt dụng cụ 9 5.

Bảng điều khiển: Bảng điều khiển là nơi thực hiện giao diện giữa người với máy. Kết cấu của bảng có thể khác nhau tùy thuộc vào nơi sản xuất. Thông thường bảng điều khiển của máy tiện CNC có cấu tạo như sau: Gồm có màn hình CRT giống như màn hình máy tính và một bàn phím gồm các nút chức năng dùng để nhập các dữ liệu, bản vẽ… Các dữ liệu này được chuyển vào máy và dùng nó để mở các thực đơn điều khiển các chức năng vận hành máy. Trong máy NC các bảng điều khiển được thiết kế riêng rẽ và được lắp trên máy.

Người điều khiển máy ở một vị trí làm việc nhất định như hình (1. Vùng điều khiển màn hình - Màn hình CRT (CRT DISPLAY) màn hình máy tính, để biểu diễn tín hiệu điều khiển số. - Nút điều khiển RESET, nút khởi động START, nút chọn chức năng phần được hiển thị ở phần cuối của màn hình CRT-SOFT KEY. Nút địa chỉ nút ADDRESS dùng để khai báo các thực đơn.

Nút số dùng để nhập dấu và các giá trị số NUMERIC. Nút dùng để thay đổi chức năng các địa chỉ SHIFT. Nút dùng để nhập chữ, biểu tượng và giá trị số vào bộ điêù khiển CNC–INPUT. Nút huỷ bỏ những địa chỉ và giá trị số CANCEL, ngoàii ra còn các nút: di chuyển con trỏ, nút thay đổi trang màn hình, nút thay đổi NC/PC, nút tính toán CALCULATION, nút dùng để nhập khoảng trống AUX (AUXILIARY).

Vùng điều khiển các chức năng vận hành, gia công - Chế độ soạn thảo: EDITION MODE; - Chế độ điều khiển nhớ: MEMORY OPERATION MODE; - Chế độ điều khiển MDI-MDI OPERATION MODE; 10 - Các hệ thống công tắc (làm vô hiệu hoá các chức năng và cung cấp nhanh, chọn lọc); - Các công tắc: Chạy và thực hiện từng câu lệnh, khoá các chế độ làm việc của máy, chạy khô Hình 1. Bảng điều khiển máy tiện CNC 6. Một số thiết bị ngoài: Các thiết bị bên ngoài có khả năng giúp người thợ hoàn thành các công việc một cách độc lập, mở rộng các chức năng hoạt động của máy. Gồm có các thiết bị: 11 a.

Thiết bị đo dao: Là một thiết bị dùng để đo vị trí khoảng cách của các dao cụ, với dụng cụ đo đó thì các sai số giữa vị trí chi tiết gia công tới các khoảng cách dao được xác định chính xác. Có 2 loại thiết bị đo: - Thiết bị đo điện tử - Thiết bị đo quang học b. Hệ thống đo tự động chi tiết: Là thiết bị đo tự động từ tính toán đến xác định kích thước bù dao hoàn toàn tự động. Hệ thống tải phôi: Thiết bị này dùng để vận chuyển phoi trong khi cắt gọt.

Hệ thống dao: Bộ phận dao của máy tiện CNC thông thường cho phép lắp 8  12 dao. Mỗi dao yêu cầu chỉ được lắp cố định tại một vị trí trên đầu rơ-vôn-ve và có thể thực hiện tự động một cách chính xác theo chương trình đã được định sẵn. Các dao có thể thay đổi cho nhau và có thể lắp lẫn với các máy CNC khác trong phân xưởng. Vì vậy người ta chế tạo các loại gá đỡ dao theo tiêu chuẩn để rút ngắn thời gian các thao tác, dễ tháo lắp, sửa chữa và thay đổi số dao.5) là một ví dụ về hệ thống dao và khả năng phối hợp các công nghệ gia công chi tiết của các dao cụ trên máy tiện CNC.

Hệ thống dao chủ yếu gia công trên máy tiện CNC 1.Tình hình nghiên cứu và sử dụng máy tiện CNC a). Trên thế giới Quá trình phát triển của công nghệ chế tạo và máy cắt kim loại đã trải qua các giai đoạn: * Công nghệ thủ công * Công nghiệp hoá với sự ra đời của ngành chế tạo máy công cụ * Từ tự động hoá cơ khí sang tự động hoá có sự trợ giúp của máy vi tính (CNC) 13 Sau đây là những mốc quan trọng của quá trình phát triển của máy công cụ điều khiển số (CNC: Computer Numerical Control), nó gắn liền với quá trình phát triển của công nghệ điện tử và tin học. + Năm 1808: JOSEPB MJAC QUARD đã dùng những tấm tôn đục lỗ điều khiển tự động các máy dệt. + Năm 1863: MFO URNEAUX phát minh “Đàn dương cầm tự động” nổi tiếng thế giới với tên gọi là PIANNOLA .Trong đó dùng một băng giấy có chiều rộng 30cm được đục lỗ theo vị trí tương thích để điều khiển luồng khí nén tác động vào các phím bấm cơ khí.

Băng giấy đục lỗ dùng làm vật mang tin đã được phát kiến. JOHNW MAUCHLY và Dr. JSPRESPER ECKERT đưa ra các máy vi tính số điện tử đầu tiên có tên là “ENIAC” cho quân đội Mỹ đã được ứng dụng.PARSON và viện công nghệ MIT. (Massachusetts Institute Of Technology) đã nghiên cứu thiết kế theo hợp đồng của Không quân Mỹ (US AF) một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ.

Để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục vít me thông qua dữ liệu đầu ra của một máy tính làm bằng chứng cho khả năng gia công một chi tiết.