Tối ưu chế độ cắt của phương pháp khoan trên máy điều khiển số (NC và CNC)

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 109
tối −u chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan 
trên máy điều khiển số (NC và CNC) 
Nguyễn Phú Hoa (Tr−ờng ĐH Kỹ thuật Công Nghiệp – ĐH Thái Nguyên) 
 I. Đặt vấn đề 
 Công việc khoan là công việc th−ờng gặp khi gia công cắt gọt, đồng thời cũng là công 
việc chiếm khá nhiều thời gian gia công. Tối −u hoá chế độ cắt khi khoan cũng không phải là 
vấn đề mới, cũng đ9 có nhiều tác giả đ9 đề cập và nghiên cứu vấn đề này với các ph−ơng pháp 
khác nhau. Trong bài báo khác chúng tôi đ9 đề cập ph−ơng pháp và giải thuật tối −u các thông số 
chế độ cắt bằng ph−ơng pháp quy hoạch tuyến tính [5]. ở đây chúng tôi tiếp tục trình bày tối −u 
các thông số chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan bằng một ph−ơng pháp khác đơn giản và dễ lập 
trình máy tính hơn ph−ơng pháp quy hoạch tuyến tính. 
 Để có thể xác định đ−ợc chế độ cắt tối −u của ph−ơng pháp khoan, trong đề tài nghiên 
cứu " xây dựng hệ thống tự động hoá thiết kế QTCN gia công cắt gọt", chúng tôi đ9 kết hợp 
ph−ơng pháp của các tác giả J A Arsecularatne , Hinduija, G Barrow của Depart of 
Mechanical Engineering, Univesity of Manchester Institute of Science and technology cùng với 
thuật giải máy tính do chúng tôi xây dựng đ9 giúp chúng ta nhanh chóng, tự động xác định chế 
độ cắt tối −u của ph−ơng pháp khoan. Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa rất lớn cho việc xây 
dựng phần mềm máy tính tự động hoá thiết kế tối −u QTCN gia công cắt gọt nói chung và đặc 
biệt ứng dụng nó để tự động xác định chế độ cắt tối −u đối với các máy công cụ điều khiển số 
(NC và CNC), thực tế là hiện nay ph−ơng pháp này đang đ−ợc sử dụng trong các phần mềm điều 
khiển máy CNC. 
II. Ph−ơng pháp, thuật giải tối −u chế độ cắt khi khoan 
 Trong nội dung bài viết này chúng tôi giới hạn xem xét tr−ờng hợp khoan lỗ mà chỉ một 
lần khoan, trong các điều kiện khác sẽ đ−ợc trình bày ở bài viết khác. Vì vậy mà thông số chế độ 
cắt chỉ cần xác định tối −u 2 thông số là l−ợng chạy dao và vận tốc cắt. 
 Về bản chất ph−ơng pháp này cũng xuất phát từ các điều kiện ràng buộc khi gia 
công và mục tiêu tối −u là chi phí gia công là nhỏ nhất nh− ph−ơng pháp quy hoạch tuyến 
tính. Nh−ng vấn đề khác ở chỗ, ph−ơng pháp quy hoạch tuyến tính là duyệt tìm giá trị tối 
−u trên toàn bộ miền các giá trị khả dĩ, còn ph−ơng pháp này căn cứ vào nhận xét những 
điểm mà chi phí gia công nhỏ nhất luôn nằm trên đ−ờng phân giới giữa miền khả dĩ và 
không khả dĩ. 
 Cụ thể đó là: trên cơ sở điều kiện gia công của một máy cụ thể với một dụng cụ cắt nào 
đó ta xây dựng mặt phẳng S-V. Trên mặt phẳng S-V đ−ợc phân ra làm 2 miền: Miền các giá trị 
của cặp giá trị S-V có thể dùng đ−ợc (miền khả dĩ) và miền không thể dùng đ−ợc (miền không 
khả dĩ) chúng đ−ợc ngăn bởi đ−ờng cong (Hình 1). 
Theo các tác giả J A Arsecularatne , Hinduija, G Barrow thì điểm mà chi phí gia công 
nhỏ nhất luôn nằm trên đ−ờng phân giới giữa miền khả dĩ và miền không khả dĩ. Chính vì vậy 
mà ta chỉ cần xét các điểm có các cặp giá trị S-V nằm trên đ−ờng phân giới này, do đó quá trình 
tính toán nhanh hơn, đơn giản hơn rất nhiều. 
 Quá trình tính toán chế độ cắt tối −u của ph−ơng pháp khoan với các b−ớc nh− sau: 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 110
Hình 1- Mặt phẳng giới hạn các miền S-V 
 1. Tính l−ợng chạy dao cực đại theo chiều dày lớp cắt cho phép của mũi khoan đ−ợc 
tính toán bằng công thức sau: 
 S1 = c1 D
e1 nếu : L/D<=3 (1) 
 S1 = fc1 D
e1 nếu : L/D>3 
 Với: 
 f= 1-0,05(L/D-3) 
 c1, e1 là các hằng số phụ thuộc cặp vật liệu gia công - vật liệu dụng cụ cắt. 
 2. Tính l−ợng chạy dao S2 phụ thuộc các mô men của máy, mô men cắt giới hạn của 
dụng cụ và mô men xoắn tránh khả năng tr−ợt của mũi khoan đ−ợc tính bằng công thức sau: 
 S2 = 
2/1
33
2 )(
e
e
p
e DDc
M








−
 đối với mũi khoan thép gió (2) 
 S2 = 
2/1
33
2 )(
e
e
p
e
s DDck
M








−
 đối với mũi khoan hợp kim cứng 
 Với: ks = c5 s
e10 ; M=min ( M1, M2, M3) ( 3 ) 
 Trong đó: 
 *) M1 là mô men xoắn lớn nhất mà máy có thể cho phép và đ−ợc tính nh− sau: 
 M1 = 
n
P
.
60 max
pi
 ( 4) 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 111
 *) M2 là mô men xoắn lớn nhất mà mũi khoan cho phép và đ−ợc tính nh− sau: 
 M2 = 
1
3
..16000
..
sf
Dav τpi với Dav=0,7 D ( 5) 
 *) M3 là mô men xoắn giới hạn để không xẩy ra sự tr−ợt mũi khoan, tính nh− sau: 
 M3 = àcrg(Fc0±Icmjω2min rj ) ( 6 ) 
 3. Tính l−ợng chạy dao S3 phụ thuộc lực cắt cực đại và lực chạy dao cực đại, đ−ợc tính 
bằng công thức sau: 
 S3 = 
4/1
55
3 )(
e
e
p
e
a
DDc
F








−
 đối với mũi khoan thép gió ( 7 ) 
 S3 = 
4/1
55
3 )(
e
e
p
e
s
a
DDck
F








−
 đối với mũi khoan hợp kim cứng 
 Với: Fa =min ( Fa1, Fa2 ) 
 Trong đó: 
 *) Fa1 là lực dọc trục lớn nhất mà dụng cụ có thể cho phép và đ−ợc tính nh− sau: 
 Fa1 = 
1
2
43
64 sfL
EDpi
 ( 8 ) 
 *) Fa2 là lực dọc trục lớn nhất tránh tr−ợt dụng cụ cắt theo chiều trục, tính nh− sau: 
 Fa2 = àa(Fc0±Icmjω2min rj ) ( 9 ) 
 4. L−ợng chạy dao Sopt tối −u đ−ợc tính toán là: 
 Sopt=min ( S1, S2, S3) ( 10 ) 
 5. Vận tốc cắt tối −u không kể đến các ràng buộc đ−ợc tính toán bằng công thức sau: 
 V*opt = 987
6
4
)( eeopteopt
e
BHNST
Dc
 đối với mũi khoan thép gió ( 11 ) 
 V*opt = 87
4
e
opt
e
opt ST
c
 đối với mũi khoan hợp kim cứng 
 6. Vận tốc cắt tối −u đ−ợc tính nh− trên sẽ đ−ợc kiểm tra với các ràng buộc 
nh− công suất cắt lớn nhất, tránh tr−ợt dụng cụ cắt theo dọc trục và tiếp tuyến. Nó 
đ−ợc kiểm tra lần nữa với phạm vi tốc độ cắt ứng cặp vật liệu gia công - vật liệu dụng 
cụ cắt. Vận tốc cắt tối −u nhỏ hơn sẽ đ−ợc chọn khi thoả m9n tất cả các ràng buộc 
này. 
Thuật giải tối −u chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 112
Begin 
Nhập Dữ liệu về máy, dụng cụ cắt, chi 
tiết gia công, các hệ số 
Ngân 
 hàng 
 dữ 
liệu 
S1:=c1De1 
L/D<=3 
M1 = 
n
P
.
60 max
pi
; M2 = 
1
3
..16000
..
sf
Dav τpi ; M3 = àcrg(Fc0±Icmjω2min rj ) 
M:=min(M1,M2,M3); 
S Đ 
f= 1-0,05(L/D-3) 
S1:=fc1De1 
S2 = 
2/1
33
2 )(
e
e
p
e DDc
M








−
MK Thép gió 
S Đ 
S2 = 
2/1
33
22 )(
e
e
p
e DDck
M








−
Fa1 = 
1
2
43
64 sfL
EDpi
 ; Fa2 = àa(Fc0±Icmjω2min rj ) ;Fa =min(Fa1,Fa2); 
S3 = 
4/1
55
3 )(
e
e
p
e
a
DDc
F








−
MK Thép gió 
S Đ 
S3 = 
4/1
55
3 )(
e
e
p
e
s
a
DDck
F








−
Sopt:=MIN(S1,S2,S3) 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 113
III. Kết quả nghiên cứu 
 Kết quả của ph−ơng pháp và giải thuật tối −u chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan trên 
đ−ợc thử nghiệm xác định tối −u chế độ cắt của ph−ơng pháp khoan trên máy CNC là trung tâm 
gia công MHP với chi tiết gia công nh− hình vẽ 2, vật liệu chi tiết gia công là thép 45: 
Hình 2: Chi tiết gia công 
 Với chi tiết gia công thì bề mặt cần khoan là bề lỗ Φ18. Dụng cụ cắt là mũi khoan thép 
gió Φ18, khoan 1 lần là đạt kích th−ớc nên chiều sâu cắt là 9 mm, tuổi bền mũi khoan để chi phí 
dụng cụ thấp nhất là 24,75 phút. Quá trình tối −u l−ợng chạy dao qua các b−ớc nh− sau: 
 1. L−ợng chạy dao cực đại tính theo tiết diện phoi cắt lớn nhất cho phép là: 
 S1= 0,102 mm/vòng. 
 2. L−ợng chạy dao S2 phụ thuộc ràng buộc mô men tính theo công thức (2) là: 
 S2= 2,341 mm/vòng. 
 3. L−ợng chạy dao S3 phụ thuộc ràng buộc lực theo công thức (2) là: 
 Vopt=MIN( V1 ,V2 , V3, V4 ) 
End 
V*opt = 987
6
4
)( eeopteopt
e
BHNST
Dc
MK Thép gió 
 S Đ 
V*opt = 87
4
e
opt
e
opt ST
c
V1:=Vmax cho phép vật liệu gia công - vật liệu dụng cụ cắt 
V2:=Vmax cho phép của công suất máy 
V3:=Vmax cho phép tránh sự tr−ợt vòng 
V4:=Vmax cho phép tránh sự tr−ợt dọc 
Ngân 
 hàng 
 dữ 
liệu 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
 114
 S3= 2,098 mm/vòng. 
 4. L−ợng chạy dao tối −u theo công thức (2) là: 
 S=min(S1, S2, S3)=min( 0,102; 2,341; 2,098)= 0,102 mm/vòng. 
 5. Vận tốc cắt tối −u ứng với l−ợng chạy dao tối −u và tuổi bền dụng cụ tối −u là: 
 V*opt =62,7 m/phút. 
 6. Kiểm tra các điều kiện: 
 *) Vận tốc cắt cho phép lớn nhất của cặp vật liệu chi tiết gia công và vật liệu dụng 
cụ cắt là : 30,0 m/phút. 
 *) Vận tốc cắt cho phép lớn nhất của công suất máy là : 25,45 m/phút. 
 *) Vận tốc cắt cho phép lớn nhất tránh tr−ợt vòng là : 219,8 m/phút. 
 *) Vận tốc cắt cho phép lớn nhất tránh tr−ợt dọc trục là : 230,1 m/phút. 
 Vậy: Vopt = min ( 62,7; 30,0; 25,45; 219,8; 230,1) = 25,4 5 m/phút 
 Sau đây là so sánh kết quả tính toán tối −u và tính toán bằng ph−ơng pháp tra bảng, trong 
đó chi phí khấu hao máy là 4.800,0 đồng/phút, chi phí dụng cụ cắt ứng với tuổi bền tối −u là 
150,0 đồng/phút. 
Thời gian gia công ( phút ) Chi phí gia công ( đồng ) 
Ph−ơng pháp 
dùng bảng tra 
Ph−ơng pháp 
tính toán tối −u 
Sai lệch 
( %) 
Ph−ơng pháp 
dùng bảng tra 
Ph−ơng pháp 
tính toán tối −u 
Sai lệch 
( %) 
0,607 0,496 18,3 3.442,0 2.910,0 15.5 
 Trên đây là những kết quả nghiên cứu này, ph−ơng pháp và giải thuật tính toán chế độ cắt 
tối −u đ9 trình bày ở trên vừa cho phép hoàn hoàn tự động xác định các thông số chế độ cắt của 
ph−ơng pháp khoan một cách nhanh chóng và có hiệu quả. Đặc biệt kết quả nghiên cứu này rất có 
ý nghĩa khi ứng dụng xác định chế độ cắt tối −u đối với các máy điều khiển số (NC và CNC) 
 
 Tóm tắt: Bài báo trình bày ph−ơng pháp và thuật giải để tối −u hoá các thông số chế độ 
cắt của ph−ơng pháp khoan. Ph−ơng pháp này có ý nghĩa quan trọng để tự động xác định tối −u 
các thông số chế độ cắt trong quá trình tự động hoá thiết kế tối −u quy trình công nghệ gia công 
cắt gọt, đặc biệt là với các hệ thống máy điều khiển số (NC và CNC). Kết quả đ−ợc thực nghiệm 
trên trung tâm gia công MHP. 
Summary 
Optimum cutting conditions for drilling components 
on the numerically controlled system ( NC & CNC) 
 This paper describes method and algorithm of synchronizes optimum to determine the 
optimum cutting conditions automatically for drilling. This is very important for determine the 
optimum cutting conditions automatically in the automatic design of optimum cutting process, 
specially for technologically orientated numerically controlled system (NC and CNC). 
Disquisitional results rendered in here are given determine the optimum cutting conditions 
automatic for drilling on the MHP turning centre. 
Tài liệu tham khảo 
 [1]. Shaw, M.C: On the drilling of metals 2-the torque and thrust in driling - Trans, ASME, 1957 
 [2]. SANDVIK Coromant: Short hole driling S-81181, Sweden 1981 
 [3]. Nguyễn Đăng Bình, Lê Văn Vĩnh, Nguyễn Phú Hoa: “Thiết kế quy trình công nghệ tối −u 
thei chuẩn thứ tự nguyên công có giá thành MIN với sự trợ giúp máy tính”, Thông báo Khoa học của các 
tr−ờng đại học năm 1997 , Vụ Khoa học - Công nghệ - Bộ Giáo dục và Đào tạo