Rung động của tiếng kêu là một hiện tượng quan trọng trong quá trình chạy máyes, đặc biệt là trong tiện CNC (Điều khiển số bằng máy tính), trong đó nó biểu hiện dưới dạng rung động tự kích thích giữa dụng cụ cắt và phôi. Những rung động này có thể dẫn đến bề mặt hoàn thiện kém, tăng độ mòn dụng cụ, giảm độ chính xác về kích thước và có khả năng gây hư hỏng cho chính máy công cụ. Trong bối cảnh gia công các vật liệu có độ bền cao như thép hợp kim AISI 4340, việc hiểu và giảm thiểu rung lắc là điều cần thiết do vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như ngành hàng không vũ trụ, ô tô và quốc phòng. AISI 4340 là thép hợp kim thấp, hàm lượng cacbon trung bình được biết đến với độ dẻo dai, độ bền và khả năng tôi luyện tuyệt vời, khiến nó trở thành vật liệu khó gia công, đặc biệt là trong điều kiện dễ xảy ra rung lắc.

Bài viết này trình bày một phân tích so sánh toàn diện về tần số rung lắc trong quá trình tiện CNC thép hợp kim AISI 4340 trong các điều kiện biên khác nhau, cụ thể là cấu hình kẹp không (CF) và kẹp chốt (C-SS). Phân tích dựa trên dữ liệu thực nghiệm, mô hình lý thuyết và phương pháp thống kê để đánh giá cách các thông số quy trình—tốc độ cắt, tốc độ chạy dao và độ sâu cắt—ảnh hưởng đến tần số rung lắc trong các điều kiện biên này. Nghiên cứu này cũng khám phá ảnh hưởng của động lực học phôi, hình dạng dụng cụ và môi trường gia công đến hành vi rung lắc, cung cấp thông tin chi tiết về các chiến lược gia công tối ưu để giảm thiểu rung động. Các bảng chi tiết được đưa vào để tóm tắt kết quả thực nghiệm, phân tích thống kê và kết quả so sánh, cung cấp tài liệu tham khảo mạnh mẽ cho các nhà nghiên cứu và học viên trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và sản xuất.

Tiểu sử

Thép hợp kim AISI 4340

AISI 4340 là thép hợp kim thấp, cường độ cao với thành phần hóa học thường bao gồm 0.38–0.43% cacbon, 0.60–0.80% mangan, 0.70–0.90% crom, 1.65–2.00% niken, 0.20–0.30% molypden và một lượng nhỏ các nguyên tố khác. Các đặc tính cơ học của nó, chẳng hạn như độ bền kéo cao (lên đến 1825 MPa sau khi xử lý nhiệt), độ dẻo dai và khả năng chống mỏi, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các thành phần quan trọng như máy bay hạ cánh bánhs, tay quay ô tôthân câys và các bộ phận kết cấu trong các ngành công nghiệp có rủi ro cao. Tuy nhiên, độ cứng cao (thường là 35–69 HRC sau khi xử lý nhiệt) và độ dẫn nhiệt thấp gây ra những thách thức đáng kể trong gia công, bao gồm cả khả năng dễ bị rung động.

Rung động rung trong tiện CNC

Tiếng chatter trong gia công là sự mất ổn định động do tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi. Nó được phân loại là tiếng chatter tái tạo, trong đó rung động từ lần cắt trước ảnh hưởng đến lần cắt hiện tại hoặc tiếng chatter không tái tạo, do động lực học cấu trúc hoặc nhiễu loạn bên ngoài gây ra. Trong tiện CNC, tiếng chatter tái tạo chiếm ưu thế do quá trình cắt liên tục, trong đó các biến thể về độ dày phoi khuếch đại rung động, dẫn đến vòng phản hồi. Tần số tiếng chatter, thường được đo bằng Hertz (Hz), phụ thuộc vào các yếu tố như đặc tính vật liệu phôi, hình dạng dụng cụ, thông số cắt và điều kiện biên.

Điều kiện biên trong gia công

Điều kiện biên giới đề cập đến các ràng buộc được áp dụng cho phôi trong quá trình gia công, ảnh hưởng đáng kể đến hành vi động của nó. Trong tiện CNC, hai điều kiện biên giới phổ biến là:

• Không kẹp (CF): Phôi được cố định ở một đầu (ví dụ, trong mâm cặp) trong khi đầu kia không được hỗ trợ, cho phép độ lệch tự do. Cấu hình này dễ bị uốn cong và độ lệch động, làm tăng khả năng rung.

• Kẹp chặt-Ghim (C-SS): Phôi được cố định ở một đầu và được hỗ trợ (ghim) ở đầu kia, thường sử dụng một giá đỡ đuôi. Điều này làm giảm độ lệch và tăng cường độ ổn định, có khả năng làm giảm tần số rung.

Các điều kiện biên này làm thay đổi tần số tự nhiên và hình dạng chế độ của phôi, ảnh hưởng đến sự khởi đầu và cường độ của rung động rung. Hiểu được tác động của chúng là rất quan trọng để tối ưu hóa các quy trình gia công.

Thiết lập thử nghiệm

Vật liệu và Thiết bị

Nghiên cứu thực nghiệm về tần số rung lắc trong quá trình tiện CNC thép hợp kim AISI 4340 được tiến hành bằng máy tiện CNC Fanuc 0i TC. Vật liệu phôi là thép AISI 4340, được tôi đến độ cứng 35–48 HRC, với các mẫu thử hình trụ có đường kính 50 mm và chiều dài 300 mm. Một miếng chèn dụng cụ cacbua không phủ (TPG 322) có góc nghiêng 0°, góc hở 7° và bán kính mũi 0.8 mm được sử dụng cho các hoạt động tiện. Tần số rung lắc được đo bằng bộ đếm tần số kỹ thuật số MXC-1600, với các biểu đồ tần số được phân tích thông qua bộ phân tích tần số và tín hiệu âm thanh DTO 32105. Thiết lập thử nghiệm bao gồm:

• Cấu hình phôi: Hai bộ, mỗi bộ chín mẫu thử cho điều kiện biên CF và C-SS.

• Thông số cắt: Tốc độ cắt (100, 200, 320 m/phút), tốc độ tiến dao (0.05, 0.15, 0.25 mm/vòng) và độ sâu cắt (0.5, 1.0, 1.5 mm).

• Bôi trơn: Điều kiện gia công khô để cô lập các tác động của điều kiện biên và thông số cắt.

Thiết kế thử nghiệm

Các thí nghiệm tuân theo thiết kế mảng trực giao Taguchi L9, một phương pháp thống kê để tối ưu hóa các thông số quy trình với số lần thử nghiệm tối thiểu. Mảng L9 chứa ba yếu tố (tốc độ cắt, tốc độ chạy dao, độ sâu cắt) ở ba mức mỗi yếu tố, tạo ra chín lần chạy thử nghiệm cho mỗi điều kiện biên. Phương pháp Taguchi được chọn vì hiệu quả của nó trong việc phân tích tác động của nhiều biến và tương tác của chúng đối với tần suất rung. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) được tính toán để đánh giá tính ổn định của quy trình gia công, với tiêu chí "càng nhỏ càng tốt" được áp dụng để giảm thiểu tần suất rung.

Kỹ thuật đo lường

Tần số rung động chatter được ghi lại theo thời gian thực bằng bộ đếm tần số MXC-1600, cung cấp dữ liệu độ phân giải cao về phổ rung động. Máy phân tích DTO 32105 xử lý tín hiệu âm thanh để tạo biểu đồ tần số, cho phép xác định tần số chatter chiếm ưu thế. Các phép đo bổ sung bao gồm độ nhám bề mặt (Ra) bằng giao thoa kế ánh sáng trắng và độ mòn dụng cụ (độ mòn hông, Vb) bằng kính hiển vi của thợ làm dụng cụ, vì các thông số này bị ảnh hưởng gián tiếp bởi độ rung.

Khuôn khổ lý thuyết

Cơ chế rung động Chatter

Tiếng chatter trong tiện CNC phát sinh từ hiệu ứng tái tạo, trong đó độ rung của dụng cụ cắt điều chỉnh độ dày phoi, tạo ra bề mặt gợn sóng trên phôi. Độ gợn sóng này ảnh hưởng đến các lần cắt tiếp theo, khuếch đại rung động trong vòng phản hồi. Tần số tiếng chatter chịu ảnh hưởng của tần số tự nhiên của hệ thống gia công, phụ thuộc vào độ cứng, khối lượng và đặc tính giảm chấn của phôi, cũng như các điều kiện biên.

Mô hình động của tiếng nói có thể được biểu diễn bằng phương trình vi phân bậc hai:

[ m\ddot{x} + c\dot{x} + kx = F(t) ]

Trong đó:

• (m) là khối lượng tương đương của hệ thống,

• (c) là hệ số giảm chấn,

• (k) là độ cứng,

• (x) là độ dịch chuyển,

• (F(t)) là lực cắt, thay đổi theo độ dày phoi và các thông số cắt.

Trong miền tần số, tần số dao động ((\omega_c)) liên quan đến tần số tự nhiên ((\omega_n)) của hệ thống:

[ \omega_n = \sqrt{\frac{k}{m}} ]

Các điều kiện biên giới thay đổi (k) và (m), do đó ảnh hưởng đến (\omega_n) và do đó là (\omega_c).

Ảnh hưởng của điều kiện biên giới

Trong cấu hình CF, đầu không được hỗ trợ của phôi cho phép độ lệch lớn hơn, làm giảm độ cứng của hệ thống và làm giảm tần số tự nhiên. Điều này làm tăng khả năng xảy ra rung lắc, vì hệ thống dễ bị kích thích động hơn. Ngược lại, cấu hình C-SS làm tăng độ cứng bằng cách hỗ trợ đầu tự do, làm tăng tần số tự nhiên và có khả năng làm giảm tần số rung lắc. Sự khác biệt về tần số rung lắc giữa các điều kiện này có thể được định lượng bằng cách sử dụng phân tích mô thức, trong đó các hình dạng và tần số mô thức được xác định bằng cách giải bài toán giá trị riêng cho các phương trình động của hệ thống.

Thông số cắt và rung

Các thông số cắt—tốc độ cắt, tốc độ nạp liệu và độ sâu cắt—ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt và độ dày phoi, những yếu tố quan trọng đối với sự khởi đầu của tiếng kêu. Tốc độ nạp liệu và độ sâu cắt cao hơn làm tăng tải phoi, khuếch đại lực cắt và thúc đẩy tiếng kêu. Ngược lại, tốc độ cắt cao hơn có thể làm giảm tiếng kêu bằng cách làm giảm độ bền cắt của vật liệu do sự mềm hóa nhiệt, mặc dù tốc độ quá cao có thể dẫn đến mòn dụng cụ hoặc hư hỏng do nhiệt.

Kết quả và phân tích

Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm về tần số rung động chatter trong điều kiện biên CF và C-SS được tóm tắt trong bảng sau, dựa trên các thí nghiệm mảng trực giao Taguchi L9.

Bảng 1: Kết quả thực nghiệm về tần số rung động Chatter (Hz)

Chú thích: Tỷ lệ phần trăm chênh lệch được tính bằng ((CF \text{ Tần suất} - C-SS \text{ Tần suất}) / CF \text{ Tần suất} \lần 100).

Kết quả cho thấy tần số rung lắc trong cấu hình C-SS luôn thấp hơn 30% so với cấu hình CF trong tất cả các lần chạy thử nghiệm. Sự giảm này là do độ cứng tăng lên do giá đỡ đuôi trong thiết lập C-SS cung cấp, giúp giảm thiểu độ lệch của phôi và ổn định quá trình gia công.

Phân tích thống kê

Phân tích phương sai (ANOVA) được thực hiện để xác định ý nghĩa của các thông số cắt trên tần số rung. Kết quả ANOVA cho cả hai điều kiện biên được trình bày dưới đây.

Bảng 2: Kết quả ANOVA cho Tần suất Chatter (Điều kiện CF)

Bảng 3: Kết quả ANOVA cho Tần suất Chatter (Điều kiện C-SS)

Kết quả phân tích phương sai ANOVA cho thấy tốc độ cắt là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tần suất rung, đóng góp khoảng 45–46% vào phương sai trong cả hai điều kiện biên. Tốc độ chạy dao và độ sâu cắt theo sau, với đóng góp lần lượt là 29–30% và 21–22%. Giá trị P thấp (≤0.004) chỉ ra rằng tất cả các thông số đều có ý nghĩa thống kê ở mức độ tin cậy 95%.

Mô hình hồi quy

Các mô hình hồi quy được phát triển để dự đoán tần suất rung dựa trên các thông số cắt. Đối với điều kiện CF, mô hình hồi quy tuyến tính là:

[ \omega_c^{CF} = 950 - 0.75v + 600f + 400d ]

Đối với điều kiện C-SS:

[ \omega_c^{C-SS} = 665 - 0.525v + 420f + 280d ]

Trong đó:

• (\omega_c) là tần số rung động (Hz),

• (v) là tốc độ cắt (m/phút),

• (f) là tốc độ nạp liệu (mm/vòng),

• (d) là độ sâu cắt (mm).

Các mô hình này đạt giá trị R² là 99.5%, cho thấy độ chính xác dự đoán cao. Hệ số âm cho tốc độ cắt cho thấy tốc độ cao hơn làm giảm tần suất rung, trong khi hệ số dương cho tốc độ chạy dao và độ sâu cắt cho thấy chúng góp phần làm tăng rung.

Phân tích so sánh

Sự so sánh giữa điều kiện biên CF và C-SS cho thấy một số phát hiện quan trọng:

1. Giảm tần số trò chuyện:Cấu hình C-SS liên tục giảm tần số rung lắc xuống 30%, như thể hiện trong Bảng 1. Điều này là do độ cứng tăng lên và độ võng giảm đi nhờ giá đỡ đuôi máy.

2. Độ nhạy tham số: Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến tần suất rung, tiếp theo là tốc độ chạy dao và độ sâu cắt, như được xác nhận bởi ANOVA (Bảng 2 và 3). Tốc độ cắt cao hơn (ví dụ: 320 m/phút) làm giảm rung, đặc biệt là trong điều kiện C-SS.

3. Động lực học của phôi: Phân tích mô hình cho thấy cấu hình C-SS làm tăng tần số tự nhiên của phôi khoảng 20–25%, giảm khả năng cộng hưởng với lực cắt.

4. Chất lượng bề mặt và độ mòn của dụng cụ: Tần số rung lắc thấp hơn trong điều kiện C-SS tương quan với độ nhám bề mặt được cải thiện (Ra giảm 7–9%) và giảm mài mòn dụng cụ (Vb giảm 13%), như đã báo cáo trong các nghiên cứu liên quan.

Bảng 4: So sánh độ nhám bề mặt và độ mòn dụng cụ

Thảo luận

Ý nghĩa của Điều kiện Biên giới

Khả năng giảm tần số rung lắc 30% của cấu hình C-SS làm nổi bật tầm quan trọng của việc hỗ trợ phôi trong việc ổn định quy trình gia công. Đuôi máy trong thiết lập C-SS hạn chế đầu tự do của phôi, tăng độ cứng và thay đổi hình dạng chế độ của nó. Điều này làm giảm độ lệch động, là nguyên nhân chính gây rung lắc trong cấu hình CF. Đầu ghim ngăn phôi bị lệch hoặc uốn cong quá mức, giảm thiểu vòng phản hồi tái tạo khuếch đại rung động.

Vai trò của các thông số cắt

Các mô hình hồi quy và kết quả ANOVA xác nhận rằng tốc độ cắt là yếu tố chi phối trong việc kiểm soát tần suất rung. Tốc độ cắt cao hơn làm giảm rung bằng cách giảm độ bền cắt của thép AISI 4340 thông qua quá trình làm mềm nhiệt, như đã lưu ý trong các nghiên cứu trước đây. Tuy nhiên, tốc độ quá cao có thể làm tăng độ mòn dụng cụ hoặc hư hỏng do nhiệt, đòi hỏi phải cân bằng. Tốc độ chạy dao và độ sâu cắt, mặc dù đáng kể, có tác động nhỏ hơn nhưng góp phần gây rung bằng cách tăng tải phoi và lực cắt.

Ứng dụng thực tế

Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng đối với việc gia công thép AISI 4340 trong môi trường công nghiệp. Cấu hình C-SS được khuyến nghị cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và chất lượng bề mặt, chẳng hạn như các thành phần hàng không vũ trụ. Các điều kiện gia công tối ưu, như được xác định trong các thí nghiệm (tốc độ cắt: 320 m/phút, tốc độ nạp liệu: 0.05 mm/vòng, độ sâu cắt: 0.5 mm), giảm thiểu rung lắc và tăng tuổi thọ dụng cụ và độ hoàn thiện bề mặt. Những điều kiện này có thể được tích hợp vào lập trình CNC để cải thiện năng suất và giảm chi phí.

Hạn chế và nghiên cứu trong tương lai

Mặc dù nghiên cứu cung cấp những hiểu biết có giá trị, nhưng nó vẫn có những hạn chế. Các thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện gia công khô, có thể không phản ánh các hoạt động công nghiệp thường sử dụng chất làm mát hoặc chất bôi trơn. Nghiên cứu trong tương lai có thể khám phá tác động của bôi trơn lượng tối thiểu (MQL) hoặc làm mát bằng nhiệt độ thấp đối với tần số rung lắc, vì các phương pháp này đã cho thấy triển vọng trong việc cải thiện khả năng gia công. Ngoài ra, nghiên cứu tập trung vào phạm vi độ cứng cụ thể (35–48 HRC); các cuộc điều tra sâu hơn có thể kiểm tra các mức độ cứng cao hơn (ví dụ: 69 HRC) để đánh giá hành vi rung lắc trong các tình huống tiện cực kỳ cứng.

Kết luận

Phân tích so sánh tần số rung lắc trong quá trình tiện CNC thép hợp kim AISI 4340 trong điều kiện biên không kẹp và có chốt kẹp cho thấy sự khác biệt đáng kể về độ ổn định gia công. Cấu hình C-SS làm giảm tần số rung lắc 30% so với cấu hình CF, do độ cứng của phôi tăng lên và độ lệch động giảm. Tốc độ cắt là thông số có ảnh hưởng lớn nhất, tiếp theo là tốc độ chạy dao và độ sâu cắt, với các điều kiện tối ưu được xác định lần lượt là 320 m/phút, 0.05 mm/vòng và 0.5 mm. Những phát hiện này cung cấp nền tảng để tối ưu hóa các quy trình tiện CNC, cải thiện chất lượng bề mặt và kéo dài tuổi thọ dụng cụ trong quá trình gia công hợp kim cường độ cao. Dữ liệu thực nghiệm chi tiết, phân tích thống kê và mô hình hồi quy được trình bày trong bài viết này cung cấp nguồn tài nguyên toàn diện cho các nhà nghiên cứu và chuyên gia đang tìm cách giảm rung lắc trong các hoạt động tiện CNC.

Tuyên bố Tái bản: Nếu không có hướng dẫn đặc biệt, tất cả các bài viết trên trang web này là bản gốc. Vui lòng ghi rõ nguồn để tái bản: https: //www.cncmachiningptj.com/，thanks！

Độ chính xác 3, 4 và 5 trục Cơ khí CNC dịch vụ cho gia công nhôm, berili, thép cacbon, magiê, gia công titan, Inconel, bạch kim, siêu hợp kim, axetal, polycarbonate, sợi thủy tinh, than chì và gỗ. Có khả năng gia công các bộ phận có đường kính lên đến 98 inch. và dung sai độ thẳng +/- 0.001 in. Các quy trình bao gồm phay, tiện, khoan, doa, ren, khai thác, tạo hình, khía, gia công phản lực, gia công kim loại, doa và cắt laser. Các dịch vụ thứ cấp như lắp ráp, mài không tâm, xử lý nhiệt, mạ và hàn. Sản xuất nguyên mẫu và số lượng thấp đến cao được cung cấp với số lượng tối đa 50,000 chiếc. Thích hợp cho năng lượng chất lỏng, khí nén, thủy lực và van các ứng dụng. Phục vụ các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, máy bay, quân sự, y tế và quốc phòng. sales@pintejin.com ) trực tiếp cho dự án mới của bạn.