Mô hình hoá động lực học và dự đoán một số đặc trưng của quá trình gia công cắt gọt

TS. Nguyễn Như Tùng, Phòng Cơ khí - Tự động hoá, Viện Công nghệ HaUI

Đặt vấn đề

Trong các quá trình gia công cắt gọt, nghiên cứu để dự đoán được các đặc trưng như chiều dày phoi không biến dạng, lực cắt, rung động, công suất cắt, nhiệt cắt, sai số bề mặt, vv có ý nghĩa rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và chất lượng của quá trình gia công. Có nhiều phương pháp khác nhau có thể ứng dụng để dự đoán các đặc trưng của quá trình gia công như: Phương pháp qui hoạch thực nghiệm, phương pháp mô hình hoá lý thuyết, phương pháp phân tích mô phỏng bằng các phần mềm phân tích. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm, nhược điểm khác nhau, tuy niên, để đi sâu nghiên cứu về bản chất của quá trình vật lý, cơ học xảy ra trong quá trình gia công, phương pháp mô hình hoá lý thuyết là một phương pháp phù hợp. Quá trình gia công là một quá trình động lực học phức tạp, các thông số ảnh hưởng đến đặc trưng của quá trình này bao gồm các thông số hình học của dung cụ cắt, của phôi, các thông số vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu phôi, thông số chế độ cắt, thông số về mối quan hệ tương tác của từng cặp dụng cụ cắt - phôi, thông số cấu trúc hệ thống của hệ rung động máy - dụng cụ cắt – phôi, thông số về môi trường bôi trơn, làm mát, ... Chính vì vậy, hướng nghiên cứu về bản chất của quá trình gia công cắt gọt là rất tiềm năng và có ý nghĩa quan trọng trong việc cải tiến chất lượng của quá trình gia công.

Mô hình nghiên cứu

Việc nghiên cứu về động lực học quá trình gia công thường bắt đầu từ xây dựng các mô hình nghiên cứu. Các nghiên cứu thường được bắt đầu từ việc xây dựng các mô hình nghiên cứu đơn giản (mô hình động lực học của quá trình cắt đơn giản) [1, 2], sau đó sẽ phát triển thành các mô hình phức tạp hơn như: Mô hình cắt phức tạp với 1 bậc tự do [3], mô hình cắt phức tạp hai bậc tự do [4], mô hình cắt phức tạp với 3 bậc tự do [5], mô hình cắt phức tạp với 4 bậc tự do [2, 6].

Với mô hình nghiên cứu đơn giản, quá trình cắt có thể coi là một tương tác 2D giữa dụng cụ cắt và phôi, quá trình rung động có thể được khảo sát trên mô hình là 1 hoặc 2 bậc tự do (hình 1) [2]. Trong quá trình cắt đơn giản, dưới tác dụng của rung động sẽ làm cho chiều dày phoi không biết dạng thay đổi, điều này làm cho lực cắt trên các phương khác nhau cũng thay đổi theo. Mô hình này được được áp dụng để mô hình hoá cho quá trình tiện, quá trình bào, ….

Hình 1. Mô hình động lực học quá trình đơn giản [2]

Mô hình quá trình cắt phức tạp (như các quá trình phay, khoan, taro, …), với hệ động lực học 1 bậc tự do được mô tả trên hình 1. Với mô hình này, quá trình rung động chỉ xuất hiện trên phương y, đo đó, việc xác định thông số cấu trúc hệ thống và xác định sự ảnh hưởng của rung động đến đặc trưng của quá trình gia công cũng đơn giản hơn. Để đánh giá đầy đủ hơn sự ảnh hưởng của các thông số cấu trúc hệ thống đến quá trình gia công, các mô hình cũng đã từng bước tích hợp thêm hệ rung độ trên các phương khác nhau với số lượng các bậc tự do tăng dần được mô tả trên các hình 2 đến hình 5.

Hình 2. Mô hình động lực học quá trình cắt phức tạp với 1 bậc tự do [3]

Hình 3. Mô hình động lực học quá trình cắt phức tạp với 2 bậc tự do [4]

Hình 4. Mô hình động lực học quá trình cắt phức tạp với 3 bậc tự do [5]

Hình 5. Mô hình động lực học quá trình cắt phức tạp với 4 bậc tự do [2]

Để thực hiện được quá trình tính toán dự đoán, các mô hình, sơ đồ tính toán cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng. Trong quá trình gia công, có thể phân chia thành 2 quá trình là quá trình cắt, quá trình động lực học [1, 2]. Quá trình cắt được thực hiện khi dụng cụ cắt di chuyển tương đối so với phôi và thực hiện quá trình bóc tác vật liệu từ phôi dưới sự tương tác hình học giữa dụng cụ cắt và phôi. Trong quá trình cắt, dưới tác dụng của các nguồn động lực của máy gia công, lực cắt sinh ra để tóc tách các lớp vật liệu (phoi) rời khỏi phôi.

Hình 6. Mô hình tính toán động lực học quá trình gia công [2]

Khi thực hiện quá trình gia công cắt gọt, lực cắt sinh ra tác động lên hệ động lực học máy - dụng cụ cắt - phôi, làm cho hệ thống công nghệ rung động, quá trình này có là một quá trình động lực học. Hệ thống công nghệ rung động tác động quay trở lại quá trình cắt làm cho chiều dày phoi không biến dạng thay đổi và do đó làm lực cắt thay đổi. Chính vì vậy, mô hình tính toán quá trình cắt và quá trình động lực học tạo thành một vòng lặp kín như mô tả trên hình 6.

Một số kết quả nghiên cứu

Với mô hình nghiên cứu và mô hình tính toán dự đoán các đặc trưng của quá trình gia công đã được các nhà khoa học ứng dụng, một số kết quả về tính toán dự đoán đã thu được như kết quả tính toán dự đoán chiều dày phoi không biết dạng, lực cắt, rung động, sai số bề mặt trong quá trình gia công (hình 7) [7].

Hình 7. Kết quả dự đoán một số đặc trưng trong quá trình gia công [7]

Các mô hình dự đoán thường được kiểm tra bằng cách so sánh giá trị tính toán dự đoán với các giá trị đo được từ thực nghiệm (hình 8). Một số kết quả nghiên cứu đã xây dựng được các mô hình dự đoán có độ chính xác cao và có thể ứng dụng để dự đoán các đặc trưng của quá trình gia công [8].

Hình 8. Kết quả so sánh lực cắt dự đoán và lực cắt thực nghiệm [8]

Kết quả nghiên cứu dự đoán các đặc trưng của quá trình gia công là nhưng căn cứ quan trọng để thực hiện quá trình thiết kế máy, thiết kế dụng cụ cắt, dự đoán sai số bề mặt, dự đoán chi phí năng lượng trong quá trình gia công. Ngoài ra, các mô hình toán học trong dự đoán lực cắt, rung động còn là cơ sở cho việc nghiên cứu dự đoán hiện tượng va đập và xác định miền ổn định trong các quá trình gia công.

Kết luận

Quá trình gia công cắt gọt là một quá trình động lực học phức tạp với sự ảnh hưởng của rất nhiều các thông số từ dụng cụ cắt, vật liệu phôi, chế độ cắt và cấu trúc của hệ thống công nghê.

Các mô hình được xây dựng để nghiên cứu động lực học của quá trình gia công cũng đã được đề xuất và nghiên cứu với mức độ đơn giản, phức tạp khác nhau từ cắt đơn giản đến cắt phức tạp, từ hệ rung động với 1 bậc từ do đến hệ rung động với 4 bậc tự do.

Một số mô hình tính toán dự đoán động lực học của quá trình gia công đã được xây dựng và đã thu được kết quả dự đoán một số đặc trưng của quá trình gia công. Các mô hình đề xuất đã được kiểm tra và là căn cứ quan trọng trong các nghiên cứu dự đoán đặc biệt là trong nghiên cứu dự đoán hiện tượng va đập và dự đoán miền ổn định trong các quá trình gia công.

Tài liệu tham khảo

[1] Y. Altintas, Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design, Cambridge University Press, 2012.

[2] Nguyen Nhu Tung (2020), Modeling of Machining Dynamics: Cutting Forces and Machining Characteristics in Three-Axis Milling Processes, Science and technics publishing House, Ha Noi, Viet Nam

[3] Wang M, Gao L, Zheng Y. Prediction of regenerative chatter in the high-speed vertical milling of thin-walled workpiece made of titanium alloy. Int J Adv Manuf Technol 2014;72(5–8):707–16.

[4] Altintas Y, Shamoto E, Lee P, Budak E. Analytical prediction of stability lobes in ball end milling. J Manuf Sci E-T ASME 1999;121(4):586–92.

[5] Fei J, Lin B, Yan S, Zhang X, Lan J. Chatter prediction for milling of flexible pocket-structure. Int J Adv Manuf Technol 2017;89(9–12):2721–30.

[6] Tang WX, Song QH, Qu YS, Sun SS. Prediction of chatter stability in high-speed finishing end milling considering multimode dynamics. J Mater Process Technol 2009; 209(5):2585–91.

[7] Nguyễn Như Tùng, Nghiên cứu xây dựng mô hình xác định hệ số lực cản cắt đơn vị và xây dựng chương trình dự đoán lực cắt trong một số quá trình phay CNC ứng dụng trong đào tạo và nghiên cứu khoa học, Đề tài nghiên cứu khoa học Cấp Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, năm 2021.

[8] Nguyen, Nhu-Tung. A development method of cutting force coefficients in face milling process using parallelogram insert. EUREKA: Physics and Engineering 5 (2021): 36-52.