Nghiên cứu phát hiện và giảm rung động khi gia công trên máy phay CNC ba trục tốc độ cao

 phổ tần số, phổ đường bao, 
vv...Các phương pháp này hiện đang được sử dụng 
rất rộng rãi và được tích hợp trong nhiều phần mềm 
đo và phần mềm tính toán. Hiện nay, trên thế giới đã 
áp dụng nhiều phương pháp phân tích tín hiệu dao 
động phù hợp cho chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của 
các chi tiết quay trong hệ truyền động cơ khí như 
trục, nối trục, ổ đỡ và bộ truyền bánh răng. Nhóm 
phương pháp thứ nhất thuộc về các phương pháp 
tiêu chuẩn và đã được kiểm chứng trong nhiều ứng 
dụng khác nhau [3-6, 10, 11].
3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định biểu đồ ổn 
định của máy phay CNC ba trục tốc độ cao bằng 
tiêu chí rung động 
Rung động trong quá trình gia công gồm có 
rung động cưỡng bức, rung động riêng và tự rung 
động. Qua đó nhận thấy rung động là yếu tố trung 
gian sinh ra trong quá trình gia công ảnh hưởng tới 
độ nhám bề mặt gia công. Để kiểm soát tốt và tối 
ưu thông số chế độ cắt ảnh hưởng tới chất lượng bề 
mặt gia công. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt 
tới rung động trong quá trình gia công phay tốc độ 
cao là cần thiết và là cơ sở để xây dựng biểu đồ ổn 
định của máy phay CNC ba trục tốc độ cao bằng 
tiêu chí rung động.
Phần này sẽ giải quyết một hướng thực 
nghiệm tiếp cận việc xây dựng một biểu đồ ổn định, 
từ đó giúp chúng ta thấy sự khác nhau giữa các chế 
độ cắt ổn định và không ổn định, và lựa chọn được 
sự phối hợp tối ưu nhất giữa chiều sâu cắt và tốc 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology24 Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng 3 - 2017
độ nhằm đạt được năng suất cao hơn. Một biểu đồ 
rung động, là một biểu diễn đồ họa của mức biên 
độ rung động trên một vùng hay một khu vực nhất 
định. Vùng được khảo sát chia ra thành một số điểm 
cùng với một mạng lưới và ta thu được biểu đồ rung 
động bằng cách lấy số đo tại các điểm xác định 
trong vùng đánh giá này. Số điểm còn lại được tính 
toán bằng phép nội suy. Đối với quá trình phay, biểu 
đồ ổn định có quan hệ với các khu vực trên biểu đồ 
rung động. Nếu xem biểu đồ ổn định là một khu vực 
thì nó có thể được chia thành các vùng nhỏ với một 
lưới phần tử và ta xác định biểu đồ ổn định bằng 
cách áp dụng phương pháp lập biểu đồ rung động. 
Hướng tiếp cận này sẽ được kiểm chứng bằng cách 
so sánh biểu đồ ổn định được tạo ra bằng cách lập 
biểu đồ rung động với biểu đồ ổn định được tạo ra 
bởi các giá trị trung gian của phương pháp gõ thử 
(taptest).
3.1. Xây dựng biểu đồ ổn định của máy phay 
CNC cao tốc dựa vào tiêu chí rung động
3.1.1. Lập bản đồ rung động để xác định biểu đồ 
ổn định trong quá trình phay
Trong nguyên công phay, kim loại thừa được 
loại bỏ ra khỏi phôi bằng cách xoay tròn dụng cụ cắt 
và tịnh tiến nó theo phương chạy dao tại một vận tốc 
nhất định (Hình 5). Sự va chạm của lưỡi cắt kích 
thích hệ thống máy công cụ/đồ gá dụng cụ/dụng cụ 
cắt/chi tiết, từ đó phát sinh dao động. Một giai đoạn 
ngắn ban đầu sẽ quyết định liệu quá trình có ổn định 
hay không ổn định.
Hình 5. Mô hình khảo sát ổn định
Chế độ gia công ổn định hoặc không ổn định 
có mối quan hệ mật thiết với biên độ rung động. 
Nếu chế độ gia công không ổn định thì biểu đồ rung 
động sẽ không hội tụ (biên độ rung động ngày càng 
lớn theo thời gian). Nếu chế độ gia công ổn định thì 
biểu đồ rung động sẽ hội tụ (biên độ rung động sẽ 
giảm dần theo thời gian).
Hình 6. Biểu đồ rung động với chế độ gia công mất 
ổn định
Hình 7. Biểu đồ rung động với chế độ gia công ổn 
định
Vậy ta có thể dựa vào biên độ rung động để 
đánh giá chế độ gia công ổn định hay không ổn định.
Trong trường hợp gia công phay, như đã đề 
cập ở trên, đã có nhiều cuộc khảo sát về sự rung 
động của nguyên công phay được dùng để thu nhận 
thông tin về các sự cố, và đặc biệt là sự mất ổn định.. 
Tuy vậy các tác giả chưa có tin tức gì về bất cứ sự 
nghiên cứu nào về việc sử dụng kỹ thuật xây dựng 
biểu đồ rung động nhằm mục đích xác định biểu đồ 
ổn định.
Người ta dựng lên biểu đồ rung động nhờ 
vào hai phương pháp đơn giản sau: bằng cách lấy 
mẫu, thông qua các phân tích biên độ rung động thu 
được, sau đó số hóa các phân tích này hoặc bằng 
cách mô phỏng, mô phỏng lại trạng thái rung động 
ở một vùng nào đó. Chúng đều dựa trên cơ sở thực 
hiện các phép toán nhờ vào sự tiến bộ của máy tính 
điện tử, và đều có ưu điểm là giảm thiểu chi phí 
cho việc tiếp nhận dữ liệu và tiết kiệm thời gian xây 
dựng biểu đồ rung động. 
Ta thu được biểu đồ rung động dựa trên đo 
lường bằng cách lấy số đo của một số điểm trong 
khu vực khảo sát và tính toán cho các điểm còn lại 
bằng phép nội suy. Các điểm đo đạc thường được 
xác định bởi các đỉnh của mạng lưới. Tính chất của 
mạng lưới và sự chia tách các đỉnh sẽ quyết định 
đến sự chính xác của biểu đồ rung động.
Trong giới hạn của nguyên công phay và để 
tập trung vào vấn đề rung động, nếu coi biểu đồ ổn 
định như là một khu vực và khu vực này được chia 
thành nhiều miền có lưới, có thể dựng một biểu đồ 
bằng cách áp dụng phương pháp lập biểu đồ rung 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng 3 - 2017 Journal of Science and Technology 25
động. Biểu đồ cho ta thấy biên giới ổn định trong 
đó trục hoành thể hiện tốc độ quay của trục chính 
và trục tung là bán kính chiều sâu cắt. Trong nghiên 
cứu này, biểu đồ ổn định được xác định từ 190 điểm 
trên một mạng lưới bao gồm 19 tốc độ quay và 10 
chiều chiều sâu cắt khác nhau, điều đó có nghĩa là 
cần phải thực hiện tổng cộng 190 thí nghiệm để thu 
nhận rung động gia công tại mỗi điểm của mạng 
lưới. Biên độ rung động được phân tích và người 
ta đã xác định được các tần số rung động. Phương 
pháp trên được giới thiệu trong Hình 8. Một biểu đồ 
rung động 3D được xây dựng bằng cách vẽ đồ thị 
biên độ rung động tại những tần số xung quanh tần 
số rung động, tại mỗi điểm tương ứng trên mạng 
lưới lại tham chiếu lên phía trên. Trên biểu đồ, 
không khó để quan sát đường biên giới ổn định và 
tiếp đó là chọn lựa bộ thông số công nghệ hợp lý 
cho quá trình gia công phay.
Hình 8. Phương pháp xây dựng biểu đồ ổn định
Thực nghiệm xác định biểu độ ổn định của 
máy phay CNC cao tốc dựa vào tiêu chí rung động
Mục tiêu của thực nghiệm là xác định biểu 
đồ ổn định của máy phay CNC cao tốc bằng cách: 
khi gia công với mỗi chế độ cắt, tác giả tiến hành 
đo biểu đồ rung động theo các phương. Sau khi có 
được các thông số đo trên, dựa vào lý thuyết về 
ổn định quá trình phay đã trình bày ở trên, tác giả 
sẽ tiến hành xây dựng được biểu đồ ổn định thực 
nghiệm.
3.1.2. Thực nghiệm xác định biểu độ ổn định của 
máy phay CNC cao tốc dựa vào tiêu chí rung động
Mục tiêu của thực nghiệm là xác định biểu 
đồ ổn định của máy phay CNC cao tốc bằng cách: 
khi gia công với mỗi chế độ cắt, tác giả tiến hành đo 
biểu đồ rung độngtheo các phương. Sau khi có được 
các thông số đo trên, dựa vào lý thuyết về ổn định 
quá trình phay đã trình bày ở trên, tác giả sẽ tiến 
hành xây dựng được biểu đồ ổn định thực nghiệm.
3.1.2.1. Mô hình thực nghiệm
Hình 9. Mô hình thực nghiệm
Thực nghiệm tiến hành dưới các điều kiện sau:
- Máy gia công: máy phay CNC cao tốc 
Super MC 500 - Tốc độ trục chính từ 100 ÷ 20000 
vòng/phút; BT 30; hệ điều khiển FANUC
- Dụng cụ cắt: Dao phay hợp kim cứng 
(NACHI GS MILL 4 GS 10-LIST9384); z 10 mm; 
4 răng; Chiều dài công xôn gá dụng cụ cắt: 40mm; 
Chiều dài tổng: 70 mm; chiều dài phần cắt: 22 mm; 
cắt được thép có độ cứng 50-55 HRC 
- Mẫu thí nghiệm: 10 mẫu thép C45 có kích 
thước 40 x 100 x 250, gá trên ê tô.
- Microphone: Cảm biến đo rung động 
(microphone 4189) gá trong buồng máy
- Cảm biến đo rung: gia tốc kế 3 chiều
- LAN-XI: Thiết bị thu nhập dữ liệu và 
khuếch đại tín hiệu có 4 đầu vào, 2 đầu ra tần số tới 
51,2Kz của hãng Bruel&Kjaer Đan Mạch
- Mô đun phân tích PULSE FFT 7770, 1-3 
kênh, PULSE FFT Analysis của hãng Bruel&Kjaer 
Đan Mạch.
3.1.2.2. Biểu đồ ổn định của hệ thống máy 
khảo sát
- Tác giả tiến hành cắt thử các chế độ khác 
nhau. Số lượng thí nghiệm tiến hành cắt thử 190 thí 
nghiệm.
- Chạy dao dọc theo chiều rộng của phôi với 
cùng một chiều sâu và thay đổi tốc độ mỗi lượt chạy 
thì tăng tốc độ lên 1000vg/ph.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology26 Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng 3 - 2017
- Với mỗi chiều dày cắt ta thay đổi tốc độ 
vòng quay lần lượt từ 2000vg/ph tới 20000vg/ph, 
với bước thay đổi mỗi lần là 1000vg/ph (19 tốc độ).
- Với mỗi con dao ta thay đổi chiều dày cắt 
từ 0,15 mm với bước thay đổi mỗi lần là 0,15mm, 
đến chiều dày cắt 1,5 mm. (10 chiều sâu cắt).
Với một chiều dày cắt ta tiến hành cắt đến 
khi nào hiện tượng mòn dao khốc liệt hoặc gẫy dao 
xảy ra thì dừng và chuyển sang gia công ở chiều 
dày cắt kế tiếp. Xây dựng biểu đồ ổn định quá trình 
cắt trên máy “SUPER MC 500” bằng thực nghiệm:
Hình 10. Biểu đồ ổn định xây dựng bằng thực 
nghiệm
3.2. Thảo luận
Từ biểu đồ ổn định quá trình cắt trên máy phay 
cao tốc “SUPER MC 500” ta có các nhận xét sau:
- Khi gia công vật liệu thép C45 bằng dao 
phay ngón z 10; 4 răng cắt, vật liệu làm dao là hợp 
kim cứng (NACHI GS MILL 4 GS 10-LIST9384), 
với chiều dài công xôn 40mm trên máy Super MC 
500 Chiều sâu cắt lớn nhất máy có có thể cắt được 
với dao phay hợp kim cứng (NACHI GS MILL 4 
GS 10-LIST9384); z 10 mm; 4 răng; Chiều dài 
công xôn gá dụng cụ cắt: 40mm thì chế độ gia công 
cho năng suất cao nhất và chất lượng bề mặt vẫn 
được đảm bảo là tại n = 12000vg/ph và chiều sâu 
cắt t = 1,5 mm.
- Với máy “SUPER MC 500” chế độ gia 
công thực tế mới cắt được chiều sâu phay lớn nhất 
là 0.5mm (chiều sâu phay lớn nhất mà hiện tại các 
chế độ cắt trên máy đạt được – số liệu của người 
đứng máy). Vậy nghiên cứu biểu đồ ổn định của quá 
trình gia công, ta đã lựa chọn được chế độ cắt (vận 
tốc cắt hợp lý) mà chiều sâu cắt đạt được 1,5mm, 
giúp ta tăng năng suất cắt gọt của máy lên 3 lần mà 
chất lượng bề mặt chi tiết gia công vẫn đảm bảo.
4. Kết luận
Kết luận rút ra từ nghiên cứu như sau:
Kết luận 1.
Giám sát và chẩn đoán rung cho thiết bị là 
một giải pháp hữu hiệu để giảm thiểu các nguy cơ 
sự cố, tai nạn có nguyên nhân từ các hư hỏng của 
máy móc thiết bị trong quá trình vận hành và do 
đó, mang lại nhiều lợi ích về kinh tế - xã hội. Tuy 
nhiên, một hệ thống giám sát và chẩn đoán rung 
hoạt động hiệu quả sẽ đòi hỏi chi phí đầu tư và đặc 
biệt là các chuyên gia có trình độ chuyên môn trong 
lĩnh vực này. 
Kết luận 2.
Biểu đồ ổn đinh của quá trình cắt cho phép 
ta lựa chọn được chế độ gia công hợp lý nhất (chế 
độ gia công tối ưu). Chế độ gia công tốt nhất phải 
đảm bảo được các yêu cầu sau: chiều sâu cắt lớn 
(năng suất cao), chất lượng chi tiết gia công đảm 
bảo, các hiện tượng vật lý như rung động, nhiệt cắt, 
lực cắt nhỏ.
Kết luận 3.
Ở bài báo này, những thông tin về tín hiệu 
rung động của quá trình phay được phân tích nhằm 
xây dựng một biểu đồ ổn định. Các thí nghiệm được 
tiến hành dựa trên sự thay đổi chiều sâu cắt và tốc 
độ quay của trục chính trong khi lượng chạy dao 
trên mỗi răng đươc giữ ở một hằng số, như những gì 
diễn ra trong biểu đồ ổn định. Một kênh thu nhận dữ 
liệu được đưa vào hoạt động nhằm thu thập tín hiệu 
rung động, nhờ một phương tiện là một cảm biến 
rung đặt bên trong buồng máy. Tín hiệu rung động 
theo thời gian được phân tích off-line để xác định 
tần số rung động và xây dựng bản đồ rung động 
cho việc kiểm tra quá trình phay, mục đích là để thu 
được biểu đồ ổn định. Các phân tích về tần số và 
biên độ dao động của rung động phay, dựa vào phép 
biến đổi nhanh Fourier của tín hiệu rung động theo 
thời gian, đã mang lại những kết quả tốt đẹp và cho 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng 3 - 2017 Journal of Science and Technology 27
phép chúng ta đạt được những hướng tiếp cận chính 
xác để hiểu rõ các sự cố của quy trình phay thông 
qua dao động.
Kết luận 4.
Điểm hạn chế lớn nhất của phương pháp này 
là cần phải thực hiện rất nhiều thí nghiệm, và do đó 
phải tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí mới có thể 
thu thập đủ dữ liệu cho việc xây dựng biểu đồ ổn 
định thông qua bản đồ rung động. Một khi đã hoàn 
thiện được biểu đồ ổn định, việc chọn lựa chế độ 
cắt hợp lý nhằm chống rung động cho nguyên công 
phay là rất khả thi. 
Sự thử nghiệm mở rộng như vừa trình bày 
đã chứng thực cho kết quả của nhiều cuộc khảo sát 
trước đó, cho tới ngày hôm nay vẫn có tính thời sự 
và cần được quan tâm và nghiên cứu sâu hơn nữa.
Tài liệu tham khảo
[1]. G. Meltzer (2000): Technical Diagnostics - An Introduction. Lecture notes, Dresden University.
[2]. D. E. Bently (2003): Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics. American Society of 
Mechanical Engineers.
[3]. C.M. Harris, A.G.Piersol (Editors) (2002): Harris’ Shock and Vibration Handbook (5th Edition). 
The McGraw-Hill Companies, Inc.
[4]. Robert C. Eisenmann, SA., P. E., Robert C. Eisenmann, JA. (1997): Machinary Malfuntion 
Diagnosis and Correction. Hewlett-Packard Professional Books, USA. 
[5]. U. Klein: Schwingungsdiagnostische Beurteilung von Maschinen und Anlagen. Düsseldorf: 
Verlag Stahleisen, 1999. 
[6]. R. B. McMillan (2004): Rotating Machinery: Practical Solutions Unbalance and Misalignment. 
The Fairmont Press, Inc..
[7]. ISO DIS 17359: Condition Monitoring and Diagnostics of Machines – General Guidelines.
[8]. ISO 10816 (1995-2000): Mechanical Vibration - Evaluation of Machine Vibration by 
Measurements on Non-rotating Parts.
[9]. ISO 7919 (1996-2001): Mechanical Vibration of Non-reciprocating Machines – Measurement 
on Rotating Shafts and Evaluation Criteria.
[10]. G. Vachtsevanos (2006): Intelligent Fault Diagnosis and Prognosis for Engineering Systems. 
John Wiley & Sons, Inc., New Jersey.
[11]. C. Scheffer, P. Girdhar (2004): Practical Machinery Vibration Analysis and Predictive 
Maintenance. Elsevier.
STUDY DETECT AND REDUCED VIBRATION
WHEN PROCESSING IN THREE AXIS CNC MILLING HIGH SPEED
Abstract:
In the world, technical diagnostics has become an important scientific field of identifying technical 
condition of machinery and equipment. Each technical diagnostic system has to acquire (measurement) 
diagnosic signals and analyze information in the signals (analysis) and make evaluations (conclusions) 
about the current state of the device. The mechanical oscillations occur during operation of the device 
reflect a very sensitively and accurately to changes in the operational status. Therefore, the measured 
vibration signals from the device are particularly suitable to the role of diagnostic signals. The article 
consists of two main parts. The first section presents an overview of vibration diagnosis methods that are 
being widely applied in industry and in mechanical processing. The second part refers to an experimental 
study on the determination of stability diagrams of three-axis CNC milling machine of high-speed vibration 
criteria.
Keywords: Vibration diagnostics, Stability lobe diagram, vibration, high-speed milling, spindle speed, 
axial depth of cut.