Mô hình công suất cắt dùng để kiểm tra mài mòn dụng cụ khi phay

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 MÔ HÌNH CÔNG SUẤT CẮT DÙNG ĐỂ KIỂM TRA MÀI MÒN DỤNG CỤ KHI PHAY A CUTTING POWER MODEL FOR TOOL WEAR MONITORING IN MILLING NGUYỄN THẾ TRANH Trường Cao đẳng Công nghệ, ĐHĐN TÓM TẮT Bài báo này trình bày mô hình công suất cắt trong phay mặt ứng với các điều kiện cắt và mài mòn mặt sau trung bình. Mô hình công suất cắt được kiểm định bằng thực nghiệm. Với các kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng tỏ rằng các tín hiệu công suất mô phỏng được dự báo công suất cắt trung bình tốt hơn là công suất cắt tức thời. Cuối cùng mô hình công suất cắt được sử dụng trong phương thức cập nhật giá trị giới hạn công suất cắt để kiểm tra mài mòn dao được thực hiện thành công khi phay với các điều kiện cắt biến đổi. ABSTRACT This paper describes a cutting power model in face milling operation, where cutting conditions and average tool flank wear are taken into account. The cutting power model is verified with experiments. It is shown with the simulations and experiments that the simulated power signals predict the mean cutting power better than the instantaneous cutting power. Finally, the cutting power model is used in a cutting power threshold updating strategy for tool wear monitoring with has been carried out successfully in milling operations under variable cutting conditions. 1. Giới thiệu Trong cắt kim loại, tình trạng dao phải được kiểm tra bởi người thực hiện hoặc bởi hệ thống kiểm tra on-line để tránh hư hỏng sản phẩm và máy cắt gọt. Trong nền sản xuất hiện đại, với yêu cầu giảm giá thành và nâng cao chất lượng, việc kiểm tra on-line tình trạng dụng cụ ngày càng quan trọng. Trong những năm qua [1-3], nhiều công trình nghiên cứu đã cung cấp các hệ thống kiểm tra on-line tình trạng dụng cụ khi cắt rất hiệu quả và đáng tin cậy trong lĩnh vực chế tạo máy. Các kỹ thuật đã đề xuất để kiểm tra tình trạng dụng cụ có thể phân thành 2 loại chính [1-3]: các phương pháp trực tiếp và các phương pháp gián tiếp. Các phương pháp trực tiếp có thể được thiết lập nhờ dùng các dụng cụ như đầu dò tiếp xúc, cảm biến quang học và các cảm biến tiếp cận gần để đo về hình dáng hình học hay hình thái học lưỡi cắt. Các phương pháp gián tiếp dựa trên việc tiếp nhận các biến quá trình cắt từ đó mà tình trạng dụng cụ có thể được suy diễn ra tương ứng với một số mô hình tín hiệu đã biết. Các phương pháp trực tiếp là tin cậy nhưng chúng không thể cung cấp các phép đo liên tục trong quá trình vì rằng các lưỡi cắt nói chung không thể tiếp cận được trong quá trình cắt; ngược lại các phương pháp gián tiếp cho phép thực hiện đo đạc trong khi dụng cụ cắt đang tham gia cắt gọt tạo khả năng có thể kiểm tra on-line tình trạng dụng cụ. Trong các hệ thống kiểm tra dụng cụ gián tiếp, các biến của quá trình cắt như lực cắt, âm thanh phát ra, nhiệt độ, rung động, công suất động cơ quay hiện thời v.v...được đo 85 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 một cách liên tục và trạng thái của dụng cụ được xác định tương ứng với một số mẫu tín hiệu có quan hệ với tình trạng mài mòn hay gãy vỡ dao [3]. Theo nhiều hệ thống kiểm tra dụng cụ, hệ thống kiểm tra công suất của động cơ được xem là một trong những hệ thống khả dụng nhất trong các xưởng chế tạo vì rằng tương đối đơn giản và dễ thiết lập trên các phương pháp gia công. Giống như nhiều hệ thống kiểm tra khác, hầu hết các hệ thống kiểm tra công suất thường dựa trên các phương thức kiểm tra theo chuẩn không đổi trong đó tín hiệu công suất đo được sẽ được so sánh liên tục với chuẩn kiểm tra định trước tương ứng với việc hỏng dao hoặc mức mòn dao nào đó [4,5]. Tuy nhiên phương thức này chỉ có giá trị đối với từng tập hợp riêng biệt các điều kiện gia công. Các tín hiệu công suất đo được nói chung chịu ảnh hưởng của sự biến đổi các yếu tố như vật liệu chi tiết gia công, thông số hình học và vật liệu dao và điều kiện cắt. Đặc biệt, các hằng số hay các chuẩn đề xuất để lập mối quan hệ giữa tín hiệu công suất với tình trạng dao là riêng biệt với một tập các điều kiện cắt nhất định. Điều này yêu cầu việc phát triển và tích luỹ tập hợp các chuẩn kiểm tra như là nhiều các tham số khác nhau cho mỗi điều kiện của quá trình khảo sát. Hơn nữa, khối lượng lớn các thử nghiệm mài mòn phải được tiến hành đối với các điều kiện hoặc một tập hợp các điều kiện mong muốn để nhận được các hằng số hay tham số khác nhau cần cho dự báo chính xác mức độ mài mòn hoặc hỏng dao. Những khó khăn này ảnh hưởng đến chỉ tiêu giá thành khi gia công. Như vậy cần phải tìm các phương pháp kiểm tra mới có khả năng khắc phục các hạn chế này, đặc biệt trong gia công với các điều kiện cắt thay đổi. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là sử dụng một mô hình công suất cắt trong đó các điều kiện cắt (như là tốc độ cắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt, vật liệu chi tiết và dụng cụ) cũng như mài mòn mặt sau dao sẽ được quan tâm khảo sát. Dựa trên mô hình công suất cắt, ta có thể phát triển ứng dụng một phương thức kiểm tra theo chuẩn cập nhật đối với các trường hợp gia công có các điều kiện cắt thay đổi. 2. Mô hình công suất cắt trong quá trình phay mặt Kiểm tra công suất cắt trên dụng cụ cắt dựa trên nguyên tắc công suất tiêu phí khi dùng dao sắc nhọn nhỏ hơn là khi dùng dao bị mòn. Vì rằng sự tiêu phí công suất của động cơ dẫn động quay được xác định bởi mômen cắt, nên thành phần tiếp tuyến của lực cắt sẽ được quan tâm trong nghiên cứu này. Trong phần này, mô hình công suất cắt sẽ được sử dụng dựa trên mô hình lực cắt cơ học biến đổi. 2.1. Lực cắt tiếp tuyến trong phay mặt. Nhiều kết quả nghiên cứu đã được nêu trong mô hình lực cắt [5-6]. Theo đó, thành phần lực tiếp tuyến có thể được viết như sau: (Hình 1). ( ) sinxv zF Ca bsϕ ϕ−= (1) trong đó C và x là các hằng số, a là chiều dày cắt trung bình: 1 2 1 ( ) (sin sin )r v zsa h d ϕ ϕ ϕ ϕ ψ ψ ψ ψ = = +∫ a(φ) sz dao phay Fv(φ) s chi tiết D t Hình 1. Các thông số cắt khi phay mặt 86 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 với: 1 2 1 1 2 arcsin[( 2 ) / ], arcsin[( 2 ) / ], = / 2 , / 2v r t D t D 2 ψ δ ψ δ ψ ψ ψ ϕ π ψ ϕ π ψ = + = − + = − = + 2.2. Ảnh hưởng mài mòn dao đến lực tiếp tuyến. Mài mòn dao là không thể bỏ qua trong quá trình cắt, do vậy mài mòn dao tham gia vào mô hình lực cắt. Daniel [6] công nhận rằng lực do mài mòn mặt sau trên lưỡi cắt có thể được biểu diễn thành hai thành phần (Fnw và Ftw). Fnw thẳng góc với vùng mài mòn và tỷ lệ với độ cứng H (độ cứng Brinell) của vật liệu, chiều rộng vùng mài mòn trung bình (VB ), chiều dài vùng mài mòn l. Theo Daniel [6]: nwF HVB= l (2) Và Ftw do ma sát trên vùng mài mòn: tw nwF Fμ= (3) trong đó μ là hệ số ma sát trượt giữa vật liệu chi tiết và dụng cụ. Thường lấy l=b. Dựa trên các phương trình (1)-(3), thành phần lực cắt tiếp tuyến có thể được biểu diễn như sau: ( ) [ sin ]xv zF b Ca s HVBϕ ϕ−= + μ (4) chi tiết lưỡi dao s t dao cắt 2.3. Mô hình lực cắt tức thời khi phay mặt. Dựa trên phương trình (4), đối với đầu dao phay có Z răng, công suất cắt của răng cắt thứ i có thể xác định bởi: ( ) ( ) [ sin ] ( )xi v z vp DnF Dnb Ca s HVB Hình 2. Quá trình cắt nhiều răng dao: a. Sơ đồ cắt b. Sự phân bố công suất cắt rϕ π ϕ π ϕ μ ϕ ϕ ϕ−= = + ≤ ≤ (5) Số răng tham gia cắt đồng thời (m) được xác định bởi góc răng đầu dao (Φ) và góc ôm phần cắt (ψ) (Hình 2a) tăng khi phần ôm cắt rộng lên và ngược lại. Đối với đầu dao phay có Z răng, m lớn nhất là bằng Z/2. Xét trường hợp phần ôm cắt cho trước, quá trình phay có thể được chia thành giai đoạn m răng tham gia cắt (giai đoạn A) và giai đoạn (m-1) tham gia cắt (giai đoạn B) (Hình 2a). Hai giai đoạn này luân phiên nhau với tần số một góc răng (Hình 2b). Dựa vào phương trình (5), công suất cắt của đầu dao phay trong chu kỳ cắt thứ j có thể được viết thành:(Hình 2). 87 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 1 1 1 1 1 1 1 ( ) ( ( 1) ( ) [ ( 1) ] ( ) ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) [ ( 1) ] ) (j=1,2,3,...) m m m v i v i i j m m m v i v i i P j p Dn F i j m P P j m p Dn F i j v v ϕ ϕ ϕ ψ ϕϕ π ϕ ϕ ϕ ψ ϕ ϕ ϕ ϕ π ϕ = = − − − = = ⎡ ⎡ + − Φ ≤ < +⎡ + − Φ⎢ ⎢ ⎢ + − Φ⎢ ⎢ ⎢ = = =⎢ ⎢ ⎢ + + − Φ ≤ <⎢ ⎢ + − Φ ⎢ + Φ⎢ ⎢ ⎣⎣ ⎣ ∑ ∑ ∑ ∑ (6) trong đó: sin( ( 1) / 2)sin( / 2)( ) sin( / 2) x m z m mP Dnb Ca s HmVBϕϕ π μ−⎡ ⎤+ − Φ Φ= +⎢ ⎥Φ⎣ ⎦ 2.4. Mô hình công suất cắt trung bình trong phay mặt. Từ các phương trình (4)-(6), công suất cắt trung bình có thể được xác định như sau: v v(cos( ) cos( )) / 2 x zP ZnDb Ca s HVBϕ ϕ ψ μ ψ−⎡ ⎤= − + +⎣ ⎦ (7) 3. Mô phỏng và thử nghiệm 3.1. Các phương pháp thử nghiệm Các thử nghiệm cắt gọt được thực hiện trên máy phay X62W. Hệ thống tiếp nhận dữ liệu bao gồm bộ chuyển đổi công suất động cơ, carte chuyển đổi A/D và máy tính. Mài mòn mặt sau của mãnh dao carbide (hợp kim cứng) được đo bằng kính hiển vi. Thử nghiệm phay được thực hiện với các điều kiện cắt khác nhau (Bảng 1). Dựa trên các tín hiệu công suất đo được và phương pháp bình phương tối thiểu, các hằng số mô hình công suất nhận được là C = 1,54MN/m, x = 0,23 và μ = 0,1. Bảng 2. Điều kiện cắt trong mô phỏng và thử nghiệm Nhóm Số răng dao Tốc độ cắt Chiều sâu cắt Lượng chạy dao 3.2. Kết quả và nhận xét. Để kiểm tra đánh giá mô hình công suất cắt đã nêu, năm nhóm mô phỏng và thử nghiệm được thực hiện (Bảng 2). Hai nhóm đầu được dùng để khảo sát các tín hiệu về công suất cắt theo thời gian. Ba nhóm còn lại được thực hiện nhằm xác định đúng mối quan hệ tỷ lệ giữa VB và công suất cắt trung bình. Trong nhóm thứ nhất, các tín hiệu công suất đo và mô phỏng được khi cắt do một răng dao với dụng cụ mới ( 0VB = ) và dụng cụ đã mòn ( 1,1 , 4,0VB mm l mm= = ) được cho trên Hình 3. Trong nhóm thứ hai, các tín hiệu công suất khi cắt bởi nhiều răng dao với dụng cụ mới ( 0VB = ) và dụng cụ đã mòn ( 0,98 , 4,0VB mm l mm= = ) được cho trên Hình 4. Cả hai trường hợp, các tín hiệu mô phỏng và đo được là rất phù hợp ngoại trừ trong các vùng răng dao vào cắt và ra cắt. (m/ph) (mm) (mm/vg) 1 1 18 4 0,80 2 5 9 4 0,80 3 5 94 5 0,78 4 5 149 2 1,00 5 5 149 3 1,00 Bảng 1. Các điều kiện thử nghiệm Chi tiết gia công VL: Gang (HB=1680N/mm2) Kích thước: 500x70x500mm3 Dao cắt Vật liệu: HKC carbide Số răng: 1 và 5; D = 100mm Điều kiện cắt b = 2-6mm; s = 0,065-2mm/vg v = 18-236m/ph; t = 70mm không bôi trơn làm nguội 88 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 89 Trong các vùng này, các tín hiệu đo được có sự dao động bất thường. Đó là do có sự gia tăng đột ngột (xung dương) của tải cắt gọt lên hệ truyền chuyển động quay khi răng dụng cụ vào vùng cắt. Sự gia tăng tải đột ngột này gây nên sự vượt quá trong hệ thống đo công suất và làm thay đổi bất thường các tín hiệu công suất đo được. Tương tự, trong các răng nằm trong vùng cắt, một xung âm do sự mất đi đột ngột của tải cắt cũng có thể gây nên sự thay đổi bất thường của các tín hiệu. Các kết quả thử nghiệm và mô phỏng của ba nhóm sau được chỉ ra trên Hình 5. Có thể thấy rằng công suất cắt trung bình mô phỏng được là rất phù hợp với các kết quả đo được. Nói cách khác, mô hình công suất cắt trung bình có thể được dùng để dự báo sự tiêu hao công suất cắt trung bình hiện thời của dụng cụ cắt. Từ Hình 5 ta có cả hai tín hiệu công suất đo được và mô phỏng được nói chung tỷ lệ với VB . Điều này chứng tỏ rằng công suất cắt trung bình có thể thời gian (s) thời gian (s) thời gian (s) thời gian (s) C ô n g s u ất (k W ) C ô n g s u ất (k W ) C ô n g s u ất (k W ) C ô n g s u ất (k W ) mới mòn mới mòn mới mòn mới mòn Hình 3. Hai chu kỳ tín hiệu công suất cắt khi cắt với một răng dao: a. TH đo được; b. Tín hiệu mô phỏng Hình 4. Tín hiệu công suất cắt khi cắt với nhiều răng dao: a. Tín hiệu đo được; b. Tín hiệu mô phỏng Hình 5. Quan hệ mài mòn dao và công suất cắt trung bình. a. v = 94m/ph, b = 5mm, s = 0,78mm/vg b. v = 149m/ph, b = 2mm, s = 1,00mm/vg c. v = 149m/ph, b = 3mm, s = 1,00mm/vg TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 dùng làm tín hiệu dự báo cho mài mòn dao. 4. PHƯƠNG THỨC CHUẨN CẬP NHẬT. Trong phần này, dựa vào mô hình công suất cắt trung bình, phương thức kiểm tra mài mòn dao với các nguyên công cắt thay đổi nhờ cập nhật liên tục chuẩn kiểm tra tín hiệu công suất cắt trung bình được sử dụng với các bước sau: (1). Nhập vào dữ liệu của máy công cụ, dụng cụ cắt và chi tiết gia công; (2). Lựa chọn tiêu chuẩn mài mòn dao [VB] ứng theo độ bóng và dung sai kích thước; (3). Xác định trực tiếp các điều kiện cắt; (4). Dựa vào phương trình (7) tính công suất cắt trung bình thực ứng với [VB]: v v[ ] [ (cos( ) cos( )) [ ] ]/2 x zP ZnDb Ca s H VBϕ ϕ ψ μ ψ−= − + + (8) (5). Tính công suất cắt cho phép [P] để kiểm tra tình trạng dao nhờ phương trình (8): [ ] [ ]/iP p P η= + (9) trong đó [P] là giá trị cho phép của tín hiệu công suất động cơ đo được, ip là công suất chạy không tải của động cơ quay tại tốc độ quay n nào đó và η là hiệu suất máy; (6). Lấy mẫu tín hiệu công suất từ động cơ quay và thực hiện lọc bước thấp tín hiệu công suất, tính toán mức trung bình của tín hiệu công suất lọc bước thấp p ; (7). So sánh p và [P] . Nếu [ ]p P< , lặp lại từ bước (3); nếu không thì dừng gia công, thay dụng cụ bị mòn, bắt đầu gia công lại và lặp lại từ bước (1) hay bước (3). Hình 6 xác nhận rằng phương thức kiểm tra đề xuất bền vững và thực dụng hơn phương thức kiểm tra theo giá trị cho phép truyền thống. Với mài mòn mặt sau [VB]=0,5mm, các chuẩn công suất tương ứng chiều sâu cắt 2 và 3mm là 3,15 và 4,35kW (Hình 6). Trong phương thức chuẩn hằng số, nếu chuẩn công suất là 3,15kW trong suốt quá trình phay, việc kiểm tra đúng mài mòn dao có thể được thực hiện khi chiều sâu cắt là 2mm, nhưng những tín hiệu báo nguy giả tưởng của dao bị mòn xảy ra khi chiều sâu cắt là 3mm (trong khi đó tín hiệu công suất đối với dao mới (VB =0,00mm) khoảng 3,3kW (hình 6)). Hình 6. Các tín hiệu công suất trung bình khi cắt với dao mới, dao bị mòn VB =0,85mm và đường cong chuẩn kiểm tra với mài mòn [VB]=0,5mm. 5. KẾT LUẬN. Mô hình công suất cắt để kiểm tra mài mòn dao với những điều kiện cắt thay đổi đã được tiến hành nghiên cứu có kết quả tốt. Tải trọng cắt không liên tục trên động cơ quay của nguyên công phay được mô phỏng. Từ các kết quả thực nghiệm ta thấy rằng có các dao động cố định trong các tín hiệu công suất cắt đo được do tải cắt gọt không liên tục trong nguyên công phay. Các dao động này gây nhiều khó khăn trong việc sử dụng mô hình công suất để dự báo tín hiệu công suất tức thời. Tuy nhiên, công suất cắt trung bình 90 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 91 từ các tín hiệu công suất đo và mô phỏng được đã đáp ứng tốt cho việc nhận xét và đánh giá mài mòn dao. Phương thức kiểm tra mài mòn sử dụng chuẩn cập nhật đã được giới thiệu và thực hiện thành công với các điều kiện cắt thay đổi. Phương thức này có tính bền vững và thực dụng hơn trong việc triển khai thực hiện ở xưởng sản xuất đối với các phương pháp kiểm tra theo giá trị công suất giới hạn truyền thống [3-4] đặc biệt khi sử dụng các điều kiện cắt thay đổi. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N.H. Cook, Tool wear sensors, Wear 62(1980) 49–57. [2] D. Li, J. Matthew, Tool wear and failure monitoring techniques for turning- a review, International Journal of Machine tools and Manufacture 30(4)(1990) 579– 598. [3] D.E. Dimla Sr., Sensor signals for tool-wear monitoring in metal cutting operations—a review of methods, International Journal of Machine tools and Manufacture 40(2000) 1073–1098. [4] D. Cuppini, G. D’errico, G. Rutelli, Tool wear monitoring based on cutting power measurement, Wear 139(1990) 303–311. [5] J. Jones, Y. Wu, Cutting tool’s power consumption measurements, US Patent, 1996. [6] [6] D.J. Waldert, S.G. Kapoor, R.E. Devor, Automatic recognition of tool wear on a face mill using a mechanistic modeling approach, Wear 157(1992) 305–323.