Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo máy Khoa học và công nghệ cơ khí chế tạo của thế giới trong thế kỷ XX và XXI đã có những bước phát triển vượt bậc nhờ ứng dụng các công nghệ hiện đại như: công nghệ thông tin, vật liệu nano, tự động hoá,. Trong kinh tế, ngành công nghiệp cơ khí chế tạo vẫn đóng vai trò chủ đạo, góp phần làm thay đổi diện mạo thế giới, với trên 20 triệu doanh nghiệp đang hoạt động trên các châu lục, chiếm tới 28% số lượng việc làm và đóng góp 25% giá trị tổng sản phẩm của thế giới. Sự đổi mới liên tục của CAD/CAM đã giúp cho các nhà chế tạo tiết kiệm về tài chính, thời gian, nguồn lực, vì CAD và CAM đều là những phương pháp dựa vào máy tính để mã hoá dữ liệu hình học, nên tạo khả năng cho các quy trình thiết kế và chế tạo được tích hợp cao độ. Hệ CAD tất nhiên không hiểu được các khái niệm của thế giới thực, chẳng hạn như bản chất hay chức năng của đối tượng được thiết kế.
Hệ CAD thi hành chức năng của mình nhờ khả năng mã hoá các khái niệm hình học. Do vậy, quá trình thiết kế dựa vào CAD liên quan đến việc chuyển ý tưởng của người thiết kế thành mô hình hình học. Các nhược điểm khác của CAD đang được khắc phục nhờ R&D trong lĩnh vực hệ chuyên gia. Lĩnh vực này được hình thành từ các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo AI.
Một ví dụ về hệ chuyên gia bao hàm việc kết hợp thông tin về bản chất của vật liệu, trọng lượng, ứng lực, độ bền, độ dẻo vào phần mềm CAD. Nhờ tích hợp được các dữ liệu đó và những dữ liệu khác vào phần mềm nên hệ CAD có thể biết được những gì mà người kỹ sư biết khi người đó tạo ra một bản vẽ thiết kế. Sau đó, CAD có thể bắt chước cách nghĩ của người kỹ sư và thực hiện công việc thiết kế. Do công nghệ CAD/CAM ngày càng hoàn thiện nên đã tạo cơ sở phát triển các công nghệ gia công.
Từ thập kỷ 90 đến nay: việc sử dụng công nghệ CAD/CAM đã cho phép chế tạo sản phẩm cơ khí nhanh hơn, chế tạo các loại máy công cụ có tốc độ cao, chính Trang 1 xác, thông minh và hiệu quả hơn. Năm 1995, sử dụng rộng rãi thiết bị điều khiển máy công cụ dựa vào PC, phục vụ cả các chức năng PLC và CNC. Cũng trong năm 1995, chương trình Quốc tế IMS với sự tham gia của 300 công ty, viện nghiên cứu của: Canada, Mỹ, EU, Nhật Bản, Hàn Quốc và Thụy Sĩ. Gia công cơ khí trên máy CNC ngày càng phổ biến và đem lại những lợi ích rất lớn về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế.
Tuy nhiên hầu hết các máy móc, thiết bị này đều hiện đại và đắt tiền, do đó nếu xảy ra sự cố trong quá trình gia công thì chi phí sửa chữa khắc phục sẽ rất lớn. Để giảm thiểu tối đa những rủi ro trong sản xuất cũng như nâng cao năng suất gia công, giảm giá thành sản phẩm thì việc sử dụng một phần mềm để dự đoán những sai hỏng và tối ưu hóa quá trình gia công là cần thiết.2 Các khái niệm cơ bản Tiện là quá trình dùng dụng cụ cắt (dao tiện) để loại bỏ vật liệu dư thừa từ một dạng nguyện liệu ban đầu (phôi) để tạo ra một hình dạng mong muốn (chi tiết gia công), trong đó phôi quay tròn và dao chuyển động tịnh tiến. Hiệu quả của quá trình này thường được đánh giá bởi khối lượng của vật liệu được loại bỏ trong một thời gian nhất định, thường gọi là tỷ lệ loại bỏ vật liệu. Tuổi bền của dụng cụ (T) là khoảng thời gian làm việc liên tục của dao cho đến khi phải mài lại (tính theo phút), có nghĩa là thời gian giữa hai lần mài lại.
Đôi khi để biểu thị khả năng công nghệ thì tuổi bền của dụng cụ được tính theo mét của quãng đường cắt được theo số lượng chi tiết được gia công giữa hai lần mài dao. Tuổi bền của dụng cụ và quá trình mài mòn có quan hệ với nhau. Cường độ mòn càng lớn thì tuổi bền càng nhỏ. Tuổi bền biểu thị số lượng của cường độ mòn của dụng cụ, do đó nó thay đổi khi thay đổi điều kiện cắt, có nghĩa là thay đổi chế độ cắt, các thông số hình học của dụng cụ, dung dịch trơn nguội….
Một trong những yếu tố xác định tuổi bền của dụng cụ là tốc độ cắt. Các yếu tố của chế độ cắt Trang 2 - Vận tốc cắt (V) là khoảng dịch chuyển tương đối của một điểm trên dao so với vật gia công trong một đơn vị thời gian. - Lượng chạy dao (S) là khoảng dịch chuyển của dao theo phương dọc (hoặc ngang) của dao sau một vòng quay của vật gia công. - Chiều sâu cắt (t) là bề dày lớp kim loại bị cắt đi trong mỗi lần chạy dao.
Tối ưu hóa chế độ cắt theo tuổi bền dao tiện là phương pháp nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ toán học giữa hàm mục tiêu tuổi bền dao với các thông số của chế độ gia công ứng với một hệ thống các giới hạn về mặt chất lượng, kỹ thuật và tổ chức của nhà máy. Mỗi quá trình gia công đều có một bản ghi những hạn chế ràng buộc xác định khả năng gia công của hệ thống thiết bị, bao gồm thành phần cấu tạo chính của thiết bị, trục chính, bàn dao và dụng cụ cắt. Sau đây là danh sách các hạn chế thường gặp nhất trong hệ thống gia công: - Độ bền vững cấu trúc thiết bị - Momen quay trục chính, năng lượng và khoảng điều chỉnh tốc độ - Khả năng chịu tải của trục chính - Công suất trục truyền động - Hạn chế momen uốn và momen xoắn của bàn dao - Độ cứng vững và tính chống hao mòn của dụng cụ - Ảnh hưởng độ lệch kích thước đến độ võng dụng cụ cắt - Đặc tính truyền động của dụng cụ cắt, bàn dao và trục chính. Những ràng buộc này bao gồm những dạng khác nhau của hệ thống thiết bị, chúng có liên quan trực tiếp đến sự phát sinh lực cắt trong quá trình gia công nên ảnh hưởng đến tuổi bền dao [9].3 Giới thiệu về STEP-NC Trong vài thập kỷ gần đây, số lượng các hệ CNC tăng vọt trong mọi lĩnh vực sản xuất.
Nhược điểm chung của chúng là: các thông số công nghệ như vận tốc cắt và Trang 3 lượng chạy dao được áp đặt bởi người lập trình và phụ thuộc vào kinh nghiệm, hiểu biết của người lập trình. Do đó trong quá trình lập trình gia công gây ra những sai sót nhất định do tính chủ quan lẫn kinh nghiệm của con người. Cho đến nay, khối lượng sản phẩm cơ khí phải qua gia công bằng cắt gọt vẫn chiếm tỷ lệ cao nhất trong các phương pháp gia công kim loại. Cắt gọt là phương pháp hàng đầu về khả năng đáp ứng độ chính xác kích thước, độ phức tạp về hình dạng và chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
Đó là lý do khiến các công nghệ tiên tiến, có trợ giúp của máy tính (CAD/CAM-CNC) phát triển sớm nhất và mạnh mẽ nhất trong lĩnh vực này. Nhờ tích hợp được các thành tựu mới trong kỹ thuật điều khiển và máy tính mà các hệ điều khiển CNC hiện tại có nhiều tính năng vượt trội. Tuy nhiên, về bản chất điều khiển trên các máy CNC hiện nay vẫn chỉ là điều khiển “tĩnh” với các tham số hệ thống không đổi. Biểu hiện của nó về mặt công nghệ là tốc độ cắt và tốc độ chạy dao được thiết đặt cố định bởi lệnh trong chương trình NC và được duy trì cho đến khi có lệnh thiết đặt giá trị mới.
Trong công nghệ CAD/CAM-CNC, điều khiển CNC thông minh được hiểu như là 1 máy CNC thông minh có chức năng: - Dữ liệu chuyển động dao cắt: thay vì dữ liệu chuyển động các trục được chuyển tới máy CNC, hệ CNC thông minh có khả năng chuyển đổi quỹ đạo chạy dao tới chuyển động các trục của máy CNC. - Thông tin mức cao: đặc tính chi tiết, vật liệu, dao cắt, kích thước, dung sai được gửi tới máy CNC. - Thông tin này sẽ được gửi đi bằng cách sử dụng một chuẩn dữ liệu “STEP - NC” AP 238. Trong những năm 1970 với sự phát triển của CNC và sự phát triển nhanh chóng của công nghệ CAD/CAM trong hơn một thập kỷ trước, những tiến trình quan trọng đã được thực hiện trong sản xuất tự động các chi tiết cơ khí.
Tuy nhiên, ngôn ngữ lập trình được sử dụng trong công nghiệp để điều khiển máy vẫn giữ giống như với chuẩn ban đầu được biết là G và M code (ISO 6983) dựa trên sự mô Trang 4 tả chuyển động của dụng cụ cắt và những lệnh tắt/mở. Một tiêu chuẩn quốc tế ngày nay, tên là ISO 14649 và được biết đến là STEP-NC đang được phát triển để cung cấp một giao diện cách mạng cho sự tích hợp CAD/CAM sử dụng một loại ngôn ngữ được phát triển từ chuẩn STEP (ISO 10303). Không giống như G và M code chỉ lập trình cho chuyển động của trục máy và công tắc hành trình, STEP-NC còn là một mô hình hóa dữ liệu hoàn chỉnh mà nó liên kết đối tượng gia công (dữ liệu thiết kế CAD) với giải pháp công nghệ (dữ liệu qui trình gia công CAM yêu cầu) theo hướng đối tượng. Và kết quả là một chương trình STEP-NC giống với một hoạch định quá trình chi tiết hơn là một thủ tục quá trình gia công.
Trong một chương trình như vậy, dữ liệu sản xuất cho một chi tiết được tổ chức như là một dự án về những hình dạng hình học sẽ được gia công, các bước gia công (nguyên công cụ thể) cần thiết cho mỗi đặc tính, các yêu cầu công nghệ và thứ tự công việc (mục đích là để cung cấp thông tin cho máy CNC). Ngôn ngữ cấp cao và hướng đối tượng này làm cho chương trình gia công dễ dàng sử dụng mà không cần phải thay đổi nhiều trên nhiều máy CNC. Quan trọng hơn nữa, nó được xây dựng như là một phản hồi thông tin hai chiều giữa CAD/CAM và hệ thống CNC. Mục tiêu của STEP-NC là bao hàm hết toàn bộ phạm vi của sản xuất trực tuyến.
Một mô hình dữ liệu mới STEP-NC đã được phát triển để thay thế cho mô hình tiêu chuẩn mã G&M cũ cho quá trình tiện, phay, tia lửa điện (EDM).