Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình bề mặt tự do cấu trúc elip lõm khi gia công trên máy phay CNC

Nhận thấy đây là một vấn đề cấp bách nên tại các Viện nghiên cứu, các Trường Đại học kỹ thuật lớn trong nước, các nhà khoa học đang tập trung vào hướng nghiên cứu về công nghệ khi gia cô

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Ngày nay các sản phẩm nhựa được ưu tiên sử dụng nhiều từ đồ dân dụng cho đến các thiết bị kỹ thuật… vì nó có giá thành rẻ, năng suất cao, đa dạng về hình dáng và mẫu mã Ở Việt Nam từ những năm cuối thập niên 90 trở về trước trong các công ty, nhà máy cơ khí chủ yếu được trang bị các máy công cụ truyền thống chủ yếu để phù hợp với quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết có hình dáng đơn giản Nên trong thời gian này lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu chưa phát triển: các sản phẩm có độ chính xác thấp, phụ thuộc vào tay nghề của công nhân Một số công ty, nhà máy nhập khuôn ép nhựa từ các nước phát triển với giá thành cao nên sản phẩm chưa được người tiêu dùng đón nhận

Đầu những năm của thế kỷ 20 hòa theo sự hội nhập của đất nước, ngành cơ khí đã có những phát triển mạnh mẽ mà nổi bật nhất là tiếp cận với các kỹ thuật và thiết bị công nghệ cao trong đó có trung tâm gia công CNC Đây là máy công cụ trang bị điều khiển số sử dụng các tín hiệu số để điều khiển chính xác các cơ cấu chấp hành như chuyển động chạy dao, chuyển động của trục chính, các chức năng tưới nguội….Và tính năng nổi bật nhất của trung tâm phay CNC là điều chỉnh các trục chính chuyển động cùng một lúc, tạo ra các chuyển động bao hình Với nguyên lý gia công theo tọa độ điểm nên khi gia công bề mặt không gian chương trình gia công có thể dài đến hàng trăm nghìn câu lệnh, để đơn giản hóa quá trình tạo lập chương trình gia công NC thì các nhà công nghệ đã phát triển công nghệ CAD/ CAM và điều này cải thiện đáng kể quá trình thiết kế và tính chính xác của chương trình gia công

Hiện nay ở trong nước các trung tâm phay CNC được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu để chế tạo các chi tiết lòng, lõi khuôn có các dạng bề mặt tự do Tuy nhiên, các đơn vị sản xuất đang tập trung vào khai thác thiết bị theo những kiến thức được đào tạo của nhà cung cấp máy CNC chứ chưa quan tâm nhiều đến công nghệ Điều này gây ra lãng phí tính năng của thiết bị

Nhận thấy đây là một vấn đề cấp bách nên tại các Viện nghiên cứu, các Trường Đại học kỹ thuật lớn trong nước, các nhà khoa học đang tập trung vào hướng nghiên cứu về công nghệ khi gia công trên trung tâm CNC thông qua các đề tài cấp Nhà nước, cấp Bộ, các luận án tiến sỹ, luận văn thạc sỹ với các hướng: Nâng cao chất lượng sản phẩm thông qua điều chỉnh các thông số công nghệ, nâng cao tuổi thọ dụng cụ cắt bằng công nghệ vật liệu bề mặt…

Thời gian gần đây các nhà nghiên cứu, nhà khoa học đang tập trung vào hướng nghiên cứu gia công tốc độ cao (gia công cao tốc) để đáp ứng được các yêu cầu của sản phẩm và khai

thác hết công suất của thiết bị, tăng năng suất sản xuất Tuy nhiên với điều kiện Việt Nam thì còn nhiều hạn chế về trang thiết bị đáp ứng được yêu cầu của gia công cao tốc

Để đánh giá chất lượng bề mặt sản phẩm cơ khí các nghiên cứu thường thông qua các chỉ tiêu về độ nhấp nhô bề mặt, độ chính xác kích thước Đối với các chi tiết khuôn mẫu thì các yếu tố này lại càng được quan tâm và là yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm nhựa, sản phẩm đúc…vì các chi tiết lòng, lõi khuôn nếu bị sai hỏng hoặc độ nhấp nhô bề mặt cao, độ chính xác kích thước thấp thì sẽ chế tạo ra các sản phẩm bị sai lệch in dập về hình dáng hình học và kích thước Sai số này sẽ làm cho sản phẩm nhựa có thể bị mỏng dẫn đến không đảm bảo về độ bền hoặc bị dày dẫn đến tốn nguyên vật liệu, nhăn bề mặt…

Một trong những nguyên nhân chính gây ra những sai số nêu trên là rung động của hệ thống công nghệ do lực cắt sinh ra trong quá trình gia công Bên cạnh đó, yếu tố lực cắt cũng ảnh hưởng quyết định đến nhiệt cắt, quá trình mòn dụng cụ, do đó lực cắt có ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác gia công Những nghiên cứu liên quan đến vấn đề này là:

- Nghiên cứu, mô hình hóa lực cắt trong quá trình gia công, nhất là đối với các bề mặt cong

- Xác định quy luật của lực cắt để tìm mối liên hệ đến mòn dụng cụ cắt, rung động trong quá trình gia công

Tuy nhiên, những nghiên cứu về các vấn đề nêu trên hiện nay chủ yếu tập trung vào các bề mặt cơ bản như mặt phẳng, mặt trụ tròn, mặt kẻ để thuận tiện trong việc kiểm tra đánh giá kiểm chứng dữ liệu đầu ra, trong khi đó trên thực tế đối với điều kiện sản xuất trong nước thì trung tâm gia công CNC chủ yếu được sử dụng trong việc chế tạo khuôn mẫu để gia công các bề mặt cong, bề mặt phức tạp, bề mặt có các yêu cầu về khí động học, có tính thẩm mỹ cao

Mòn dụng cụ cắt cũng là một nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, sai lệch kích thước cho nên hiện nay ở trong nước và trên thế giới các nhà khoa học đã và đang tập trung nghiên cứu các phương án khắc phục các sai số do mòn dụng cụ Những vấn đề liên quan hiện đang được chú trọng là:

- Nghiên cứu quy luật mòn dụng cụ cắt theo thời gian gia công Các nghiên cứu này dựa vào quy luật mòn và kiểm soát mòn; Từ đó khai báo cho phần mềm CAM hoặc hệ thống điều khiển của máy CNC về quy luật mài mòn của dụng cụ, phần mềm sẽ tính toán đường dụng cụ theo hình dáng thực của dụng cụ tại mỗi thời điểm gia công (bù mòn dụng cụ), đảm bảo hình dáng hình học chính xác của chi tiết

- Nghiên cứu chế tạo ra những vật liệu có độ cứng cao, có khả năng chống mòn tốt như

- Nghiên cứu công nghệ bề mặt như các phương pháp phun phủ lớp bề mặt có độ cứng cao, độ bền mòn cao để tăng tuổi thọ của dụng cụ

- Nghiên cứu các yếu tố giảm ma sát giữa cặp tiếp xúc dụng cụ - phôi như sử dụng dung dịch trơn nguội hợp lý

Hiện nay, các nghiên cứu về mòn chủ yếu tập trung vào các loại dụng cụ cắt có hình dáng đơn giản như dao tiện, dao phay đầu bằng răng chắp,… nhưng trên thực tế khi gia công các bề mặt tự do ở bước gia công tinh chủ yếu sử dụng dao phay đầu cầu Đây là loại dụng cụ cắt có hình dáng lưỡi cắt phức tạp rất phức tạp, khó khăn trong việc giám sát hiện tượng mòn

Vì vậy, việc nghiên cứu các thông số công nghệ, đường dụng cụ, đặc tính về hình dáng hình học ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình bề mặt tự do dạng elip lõm thông qua việc đánh giá các yếu tố xuất hiện trong quá trình gia công (mòn dụng cụ, lực cắt) và yếu tố đầu ra (nhấp nhô bề mặt) ở bước gia công tinh, bán tinh khi gia công bề mặt lõi khuôn cánh quạt bằng dao phay ngón đầu cầu là cần thiết và cấp bách Để giải quyết vấn đề này, tác giả lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình bề mặt tự do cấu trúc elip lõm khi gia công trên máy phay CNC”

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Mục đích của đề tài:

- Nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của đường dụng cụ đến lực cắt, nhấp nhô bề mặt, sai lệch kính thước chi tiết từ đó lựa chọn đường chạy dao phù hợp khi gia công tinh bề mặt lõi khuôn cánh quạt có dạng cục bộ elip lõm

- Nghiên cứu đánh giá quy luật biến đổi của yếu tố lực cắt xuất hiện trong quá trình gia công bề mặt khuôn mẫu có dạng elip lõm Xây dựng công thức thực nghiệm biểu thị mối quan

hệ giữa chế độ cắt với yếu tố lực cắt

- Nghiên cứu bản chất, quy luật của quá trình mài mòn dụng cụ, đặc điểm tạo hình của dao phay ngón đầu cầu để tìm ra ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến mòn dao phay ngón đầu cầu khi gia công bề mặt tự do dạng elip lõm trên máy phay CNC Xây dựng công thức thực nghiệm biểu thị mối quan hệ giữa chế độ cắt với mòn dao phay ngón đầu cầu

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dáng hình học bề mặt tự do dạng elip lõm đến mòn dao phay ngón đầu cầu, chất lượng bề mặt tự do

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công tinh bề mặt lõi khuôn cánh quạt có dạng elip lõm trên máy phay CNC Xây dựng công thức thực nghiệm biểu thị mối quan hệ giữa chế độ cắt (V, s, t) với độ nhấp nhô bề mặt

b Đối tượng nghiên cứu:

- Bề mặt tự do có dạng cục bộ elip lõm: bề mặt lõi khuôn cánh quạt

- Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn (mặt sau, chiều rộng mặt trước, khối lượng) dao phay ngón đầu cầu với các yếu tố công nghệ (vận tốc cắt, lượng chạy dao), đã xác định ảnh hưởng của hình dáng hình học chi tiết đến mòn dụng cụ

- Nghiên cứu quan hệ giữa chất lượng chế tạo bề mặt tự do dạng elip lõm (độ chính xác về kích thước, nhấp nhô bề mặt) với các yếu tố về công nghệ (vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) Đã xác định ảnh hưởng của đường dụng cụ đến chất lượng chế tạo bề mặt lõi khuôn cánh quạt có dạng elip lõm; ảnh hưởng của hình dáng chi tiết đến chất lượng bề mặt

- Là cơ sở cho việc nghiên cứu các yếu tố khác trong quá trình gia công bề mặt tự do như nhiệt cắt, rung động…

- Là tiền đề cho các nghiên cứu về những loại bề mặt tự do có cấu trúc cục bộ khác

b Ý nghĩa thực tiễn:

- Là cơ sở để lựa chọn đường chạy dao tối ưu cho các bề mặt tự do có dạng elip lõm khi tạo lập chương trình NC gia công bề mặt lòng, lõi khuôn mẫu, quan tâm đến tính công nghệ khi thiết kế các bề mặt khuôn mẫu để thuận lợi cho quá trình gia công

- Các công thức toán học là tài liệu để nâng cao chất lượng chi tiết khi gia công bề mặt

tự do có dạng elip lõm trên máy phay CNC, giảm giá thành sản phẩm Kết quả nghiên cứu có

ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của các doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu trong môi trường sản xuất kinh doanh với sự cạnh tranh khốc liệt của thị trường cũng như trong quá trình hội nhập với các nước trong khu vực cũng như thế giới

- Kết quả của đề tài được ứng dụng để gia công lõi khuôn cánh quạt (có dạng elip lõm)

4 Các đóng góp mới của luận án

- Đề xuất phương pháp đánh giá yếu tố lực cắt khi gia công bề mặt tự do

- Xây dựng công thức thực nghiệm giữa chế độ cắt với tốc độ biến đổi của lực cắt trung bình, mòn dao phay ngón đầu cầu, chất lượng bề mặt (nhấp nhô bề mặt) khi phay lõi khuôn cánh quạt có dạng bề mặt tự do elip lõm

- Đánh giá ảnh hưởng của hình dáng hình học bề mặt tự do đến mòn dao phay ngón đầu cầu, độ nhấp nhô bề mặt

- Đánh giá ảnh hưởng của đường dụng cụ đến tốc độ biến đổi lực cắt trung bình, chất lượng bề mặt tự do lõi khuôn cánh quạt dạng elip lõm

5 Nội dung luận án

Luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về bề mặt tự do và nghiên cứu về tạo hình bề mặt tự do trên máy phay

CNC Chương này đề cập đến các loại bề mặt tự do và cách thức phân loại bề mặt tự do, tổng hợp lý thuyết liên quan khi tạo hình bề mặt tự do Cuối chương trình bày tóm tắt các nghiên cứu ở trong và ngoài nước đã được công bố liên quan đến các vấn đề trong quá trình tạo hình

bề mặt tự do, phân tích các tồn tại chưa được giải quyết Phần kết luận chỉ ra hướng nghiêng cứu của luận án

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về động lực học và mòn dụng cụ trong quá trình phay bề mặt tự

do Chương này trình bày các vấn đề lý thuyết về các yếu tố xuất hiện trong quá trình tạo hình

bề mặt tự do như lực cắt, mòn dụng cụ cắt Đây là các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình bề mặt tự do Nội dung chương này là cơ sở để thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm trong chương 3 và chương 4

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa thông số công nghệ với tốc

độ biến đổi lực cắt trung bình và mòn dao khi tạo hình bề mặt lõi khuôn cánh quạt có dạng elip lõm Nội dung chương này trình bày các nghiên cứu thực nghiệm dựa trên cơ sở của chương 2 để làm sáng tỏ mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các yếu tố lực

cắt, mòn dụng cụ Từ đó kết luận, xây dựng quan hệ thực nghiệm của hình dáng hình học của

bề mặt tự do, chế độ cắt với lực cắt, mòn dụng cụ cắt

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa thông số công nghệ với nhấp

nhô bề mặt và độ chính xác kích thước khi gia công khuôn mẫu có dạng elip lõm Trình bày nghiên cứu thực nghiệm về sự ảnh hưởng của hình dáng hình học của bề mặt tự do, chế độ cắt đến độ chính xác về kích thước, độ nhấp nhô bề mặt Từ đó xây dựng công thức toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với độ nhấp nhô của bề mặt khuôn cánh quạt

có dạng elip lõm

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu của đề tài là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm

Sử dụng các công cụ toán học kết hợp tin học và kết quả thực nghiệm để xây dựng các mối quan hệ giữa các yếu tố, tìm ra các quy luật

- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu về các loại bề mặt tự do, từ đó lựa chọn một loại bề mặt tự do thường gặp nhất có yêu cầu đặc trưng về hình dáng hình học, yêu cầu kỹ thuật của

bề mặt làm đối tượng nghiên cứu, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hình bề mặt đó như: chế độ cắt, đường dụng cụ, chất lượng bề mặt

- Các thực nghiệm được tiến hành với các trang thiết bị hiện có tại Việt Nam như: Máy đo tọa độ 3 chiều Brown & Shape 544 (Mỹ) tại phòng thí nghiệm Cơ điện tử; thiết bị đo

lực cắt 3 thành phần của hãng TecL (đã được kiểm định tại Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo

lường chất lượng 1), trung tâm gia công CNC Mikron UCP – 600 (Châu Âu) tại trung tâm Emco - Đại học Bách khoa Hà Nội; trung tâm gia công CNC – V30 của hãng Lead Well (Đài Loan) tại xưởng C8 – Bộ môn Gia công vật liệu & Dụng cụ công nghiệp - Đại học Bách khoa

Hà Nội; Thiết bị hiển vi quang học Quick Scope QS250Z, máy đo độ nhám bề mặt C3000 của hãng Mitutoyo tại phòng đo lường công ty Denso – Việt Nam (được hãng kiểm định định kỳ)

; Cân phân tích CPA124S của hãng Sartorios Các kết quả thí nghiệm được đo đạc, tính toán

và xử lý theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm

Mô hình nghiên cứu thực nghiệm của luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT TỰ DO VÀ NGHIÊN CỨU VỀ TẠO

HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC

1.1 Các bề mặt tự do (Sculptured Surfaces)

Các bề mặt tự do hay còn gọi là các bề mặt không gian với các thuật ngữ thường được

sử dụng như Sculptured Surfaces hay freeform surfaces hay NURBS surfaces là các bề mặt cong trơn, liên tục với các tham số đặc trưng cho cấu trúc hình học cục bộ (độ cong, tiếp tuyến, pháp tuyến,…) tại hai điểm lân cận của vùng bề mặt là khác nhau

Các bề mặt tự do dùng để thiết kế vỏ các sản phẩm nhằm thỏa mãn tính thẩm mỹ theo yêu cầu của người sử dụng ví dụ như vỏ ô tô, xe máy, đồ điện tử dân dụng,…cũng như đáp ứng các yêu cầu chức năng hình học bề mặt của một số chi tiết khí động học (như cánh tuôc bin, cánh quạt,…), chi tiết quang học (gương phản quang,…), sản phẩm ứng dụng trong y học (chi tiết tái tạo phục vụ cho giải phẫu), khuôn mẫu (đúc, ép nhựa, dập,…)

1.2 Phân loại các bề mặt tự do [52]

Để mô tả cấu trúc cục bộ của bề mặt tự do có thể sử dụng các sơ đồ vòng tròn [52] Các sơ đồ vòng tròn là công cụ hữu hiệu để mô tả các thuộc tính cơ bản của bề mặt tự do tại một vùng vi phân xung quanh một điểm của bề mặt đó Cơ sở để xây dựng các sơ đồ vòng tròn là các phương trình Euler (1.1) và phương trình Germain (1.2)

Phương trình Euler xác định độ cong của đường cong tiết diện pháp tuyến:

Bán kính cong của bề mặt trong tiết diện pháp tuyến bằng nghịch đảo độ cong của đường cong tiết diện pháp tuyến: r =1/k

Độ xoắn tại một điểm trên bề mặt theo hướng của của đường cong tiết diện pháp tuyến C θ,

có thể xác định theo phương trình Germain:

Ví dụ trên hình 1.1 là một sơ đồ vòng tròn xây dựng cho một vùng bề mặt lồi dạng elip Chú ý rằng giá trị đại số của độ cong chính thứ nhất k1.P luôn lớn hơn giá trị đại số của độ cong chính thứ hai k2.P nên điểm của sơ đồ vòng tròn có tọa độ (0, k1.P) luôn nằm về phía phải điểm của sơ đồ vòng tròn có tọa độ (0, k )

Sau đây là một số sơ đồ vòng tròn mô tả các dạng cấu trúc vùng bề mặt của bề mặt tự do: Các sơ đồ vòng tròn các vùng bề mặt cục bộ lồi (M>0, G>0) và lõm (M<0, G>0) dạng elip (hình 1.2a)

Trong đó: G là độ cong Gauss; M là độ cong trung bình

Các vòng tròn này nằm cách trục τ một khoảng cách nào đó Bán kính của các vòng tròn này bằng trung bình cộng của các độ cong chính

Sơ đồ hình 1.2b mô tả các vùng bề mặt trung tâm với các hướng chính không xác định

M>0, G>0 M<0, G>0 M<0, G>0 M>0, G>0

M<0, G<0 M>0, G=0

M=0, G=0 M=0, G<0

Vùng lõm dạng elip Vùng lồi dạng elip Vùng tâm lõm Vùng tâm lồi

Vùng lõm dạng parabol Vùng lồi dạng parabol Vùng dạng yên ngựa (giả lõm) Vùng dạng yên ngựa (giả lồi)

Vùng dạng yên ngựa

Hình 1.2 Các sơ đồ vòng tròn các vùng bề mặt trơn, liên tục của bề mặt tự do[54]

Hình 1.1 Sơ đồ vòng tròn xây dựng cho một vùng bề mặt lồi dạng elip[52]

Hình 1.3 Mười dạng vùng bề mặt cục bộ của bề mặt tự do trơn, liên tục

suy biến thành các điểm Tọa độ của các điểm này là: (kP >0, 0) cho các vùng bề mặt lồi (M>0, G>0) , (kP<0, 0) cho các vùng bề mặt lõm (M<0, G>0)

Các sơ đồ vòng tròn các vùng bề mặt cục bộ lồi (M>0, G=0) và lõm (M<0, G=0) dạng parabol (hình 1.2, c) đi qua gốc của hệ tọa độ kPτP

Các sơ đồ vòng tròn các vùng bề mặt cục bộ giả lồi (M>0) và giả lõm (M>0) dạng yên ngựa Các sơ đồ vòng tròn này giao với trục τP

Trường hợp đặc biệt của vùng bề mặt cục bộ dạng yên ngựa (G<0) với độ cong trung bình M = 0 được gọi là vùng bề mặt dạng yên ngựa cực tiểu (hình 1.2, e)

Cuối cùng là sơ đồ vòng tròn vùng bề mặt cục bộ phẳng (M = 0, G = 0) suy biến thành một điểm trùng với gốc của hệ tọa độ kPτP (hình 1.2, f)

Các sơ đồ vòng tròn mô tả rõ ràng các thuộc tính cục bộ cơ bản của hình học bề mặt tự

do Các độ cong chính, độ cong pháp tuyến, độ xoắn bề mặt, độ cong trung bình, độ cong Gauss, có thể xác định từ các sơ đồ này Các sơ đồ vòng tròn được dùng để giải các bài toán

Do tính đa dạng và phức tạp của các bề mặt bề mặt tự do nên không thể sử dụng các dụng cụ chuyên dùng để tạo hình cho từng loại bề mặt riêng biệt Gia công tạo hình các bề mặt này thường được thực hiện hiệu quả trên các máy điều khiển số nhiều trục bằng các dụng

cụ vạn năng là các dạng dao phay ngón Tại mỗi thời điểm trong quá trình gia công, bề mặt tự

do cần tạo hình tiếp xúc với bề mặt khởi thủy của dụng cụ tại một điểm Bề mặt tạo hình được hình thành là mặt bao của họ bề mặt khởi thủy của dụng cụ trong quá trình chuyển động tạo hình

1.3 Dụng cụ và đường dụng cụ trong gia công bề mặt tự do [2], [37]

1.3.1 Dụng cụ

Phương pháp phay các bề mặt khuôn mẫu trên máy phay CNC là phương pháp gia công bao hình, dụng cụ cắt là các dao phay ngón Do các bề mặt khuôn mẫu có hình dáng hình học rất đa dạng nên hình dáng hình học của các dao phay ngón được sử dụng cũng có các loại khác nhau để phù hợp với bề mặt cần gia công, đảm bảo lấy đi được nhiều lượng dư nhất, chất lượng bề mặt tốt nhất, năng suất cao nhất Hiện nay dụng cụ cắt được sử dụng trên máy phay CNC để gia công bề mặt 3D thường sử dụng các dao: dao phay ngón đầu phẳng, dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn, dao phay ngón đầu cầu, dao phay ngón đầu ¾ cầu, dao phay ngón đầu côn cầu…

Dao phay đầu cầu: có khả năng lấy đi lượng dư lớn nhất khi gia công các bề mặt

cong, về lý thuyết nếu bán kính cong của mọi điểm trên bề mặt mà lớn hơn bán kính cong của đầu dao thì sẽ lấy đi được hết lượng dư Khi gia công mặt phẳng thì dao phay đầu cầu để lại phần lượng dư giữa các đường chạy dao Về mặt chế độ cắt thì dao đầu cầu không tốt, điều này được làm rõ thông qua công thức 1.3

Dao phay đầu phẳng: có khả năng lấy đi lượng dư kém dao phay đầu cầu khi gia

công những bề mặt có độ cong nhưng chế độ cắt tốt, vận tốc cắt tại phần lưỡi cắt tham gia cắt gọt không đổi do đó chất lượng bề mặt gia công cao Do những đặc điểm trên nên dao phay đầu phẳng được dùng cho nguyên công gia công thô cắt theo lớp, gia công bán tinh và gia công tinh những bề mặt phẳng

Dao phay đầu phẳng có góc lượn: (hình 1.4b) để hài hòa ưu nhược điểm của dao

phay đầu cầu và dao phay đầu phẳng, người ta chế tạo dao có góc lượn hay bán kính mũi dao

r, dao này có khả năng lấy đi lượng dư tương đối tốt với các bề mặt cong và chế độ cắt cũng khá tốt, vận tốc cắt biến thiên từ Vmax (xác định theo công thức 1.3) đến Vmin (xác định theo công thức 1.4)

hốc sâu thì các dao thân côn rất phù hợp, về mặt tạo hình và chế độ cắt chúng mang các đặc điểm như các loại dao cơ bản trên nhưng về mặt sức bền thân dao thì tốt hơn vì khi gia công sâu yêu cầu thân dao phải dài

1.3.2 Đường dụng cụ

Đường chạy dao là quỹ đạo mà một điểm trên dụng cụ được dẫn theo nó trong quá trình gia công Nếu nguyên công đang thực hiện là gia công thô thì đường chạy dao sẽ dẫn dụng cụ lấy đi lượng dư gia công còn nếu là nguyên công gia công tinh thì đường chạy dao sẽ dẫn dụng cụ thực hiện quá trình bao hình tạo thành bề mặt chi tiết

Tùy theo phương thức gia công là 2D, 3D hay 5D sẽ có đường dụng cụ tương ứng là 2D, 3D hay 5D

Đường dụng cụ trong gia công đường cong 2D có được bằng cách dịch (offset) đường cong cần gia công một lượng bằng bán kính dụng cụ

a b c d e

Hình 1.4 Một số loại dụng cụ cắt thường sử dụng trong gia công bề mặt 3D

a Dao phay ngón đầu phẳng; b Dao đầu phẳng có góc lượn;

c Dao phay ngón đầu cầu; d Dao phay ngón đầu cầu, ¾ cầu;

e Dao phay ngón đầu côn cầu

r

Nếu gia công đảo hoặc hốc theo phương pháp cắt theo lớp thì đường dụng cụ là các đường 2D, hình dáng của chúng có thể là song song, xoắn hay theo tia

Trong gia công 3D thì đường dụng cụ phức tạp hơn rất nhiều, chúng không những phụ thuộc vào hình dáng bề mặt gia công mà còn phụ thuộc vào hình dáng hình học của dụng cụ

Hình 1.6 Đường dụng cụ gia công 3D

Với cùng một dụng cụ cắt, cùng một chế độ cắt nhưng chất lượng bề mặt chi tiết đạt được sau khi gia công phụ thuộc nhiều vào phương án đường dụng cụ Như vậy với mỗi bề mặt chi tiết cụ thể ta cần có một phương án đường chạy dao để chất lượng bề mặt tạo thành tốt nhất

1.3.3 Các thông số của đường dụng cụ

Chất lượng bề mặt chi tiết gia công phụ thuộc nhiều vào hình dáng hình học của dụng

cụ, do đó cần phải chọn hình dáng của dụng cụ phù hợp với bề mặt cần gia công Bên cạnh đó các thông số của đường dụng cụ cũng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công Các thông số của đường dụng cụ bao gồm:

Dụng cụ

được bằng cách dịch (offset) đường cong cần gia công một lượng bằng bán kính dụng cụ Nếu gia công đảo hoặc hốc theo phương pháp cắt theo lớp thì đường dụng cụ là các đường 2D, hình dáng của chúng có thể là song song (parallel), xoắn ốc (spiral) hay theo tia (radial)

Hình 1.7 Một số kiểu đường dụng cụ 2D

b Hướng tiến dao: cắt thuận, nghịch hay hỗn hợp (undir, bidir)

Hình 1.8 Hướng tiến dao

c Khoảng cách giữa hai đường chạy dao liên tiếp (bước tiến ngang)

Khoảng cách giữa 2 vị trí đường chạy dao liên

tiếp So là thông số mô tả các vết quét dày hay thưa ảnh

hưởng trực tiếp đến chiều cao nhấp nhô để lại trên bề

mặt chi tiết sau khi gia công, đối với kiểu chạy dao tia

thì thông số này là góc giữa 2 tia liên tiếp Khi So càng

nhỏ bề mặt chi tiết hình thành có chiều cao nhấp nhô

càng nhỏ hay chất lượng bề mặt chi tiết tốt hơn, nhưng

So càng nhỏ thì số lần chuyển dao để cắt hết bề mặt chi Hình 1.9 Bước tiến ngang

Đường dụng cụ xoáy Đường dụng cụ tia

Đường dụng cụ song song

Đường chạy dao cắt Đường chạy dao nhanh Đường chạy dao cắt

Hướng tiến dao 2 chiều (cắt cả thuận và nghịch) Hướng tiến dao 1 chiều (cắt cả thuận hoặc nghịch)

Biên giới gia công hốc

tiết lớn làm giảm năng suất gia công, do vậy mà tùy theo yêu cầu kỹ thuật của bề mặt chi tiết

mà ta chọn So phù hợp sao cho đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết cần gia công đồng thời năng suất gia công hợp lý

d Khoảng cách giữa các điểm nút liên tiếp trên đường dụng cụ

Khoảng cách giữa các điểm nút liên tiếp trên đường

dụng cụ Sf (hình 1.10) cho biết khoảng cách giữa các điểm

định vị dụng cụ được tính toán, nó ảnh hưởng trực tiếp đến

độ chính xác tạo hình đạt được trên đường di chuyển của

dụng cụ, làm cho bề mặt thực tạo thành chứa dung sai gia

công so với bề mặt lý thuyết hoặc có thể bị cắt lẹm hoặc

không bị cắt

e Các thông số khác

Ngoài ba thông số trên còn một số thông số công nghệ khác như: lựa chọn phương án đường di chuyển của dụng cụ để dụng cụ trong quá trình gia công là phay thuận, phay nghịch hay cả phay thuận và phay nghịch, cho dụng cụ cắt từ trong ra ngoài hay từ ngoài vào trong

1.4 Ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến chất lượng tạo hình trong gia công bề mặt 3D [2], [61]

Trong gia công phay bề mặt không gian thường trải qua 3 bước là: gia công thô, gia công bán tinh và gia công tinh Ở bước gia công tinh mục đích là lấy hết phần lượng dư trên

bề mặt chi tiết do bước gia công trước để lại, do vậy hình học của dụng cụ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng lấy đi phần lượng dư của bề mặt không gian

1.4.1 Mối quan hệ tương quan giữa hình học bề mặt không gian và hình học dụng cụ cắt trong gia công với bước tiến ngang lớn

1.4.1.1.Chiều cao nhấp nhô khi gia công sử dụng dao phay đầu chỏm cầu

a Gia công mặt phẳng (Hình 1.11a): Khi gia công mặt phẳng chiều cao nhấp nhô có thể tính

b Gia công mặt cong lồi (hình 1.11b)

Trong trường hợp gia công bề mặt cong

lồi trên máy phay 3 trục dùng dao phay đầu cầu

với cùng một bước tiến ngang So trên hình 1.12

Ta thấy khi cắt ở đỉnh cung cong thì chiều cao

nhấp nhô (hs1) là nhỏ nhất, còn khi cắt ở phía

phải nhất hoặc trái nhất của cung cong thì chiều

cao nhấp nhô (hsmax) là lớn nhất, do đó cần tính

được bước tiến ngang S0 để chiều cao hsn nằm

trong phạm vi cho phép (hsmax ≤ [hs])

Bằng sơ đồ hình 1.12 tính chiều cao nhấp

nhô khi gia công bề mặt cong lồi với:

So: bước dịch dao ngang

hsn: chiều cao nhấp nhô lớn nhất

ρ: bán kính cung cong cần gia công

c Gia công bề mặt cong lõm (hình 1.11c)

Tương tự như bề mặt cong lồi, khi gia công bề mặt cong lõm bằng dao phay ngón đầu cầu chiều cao nhấp nhô thay đổi theo vị trí của dao Ta thấy, với cùng một bước tiến ngang S0thì chiều cao nhấp nhô khác nhau tại mỗi vị trí của dao trên cung tròn và khi dao ở vị trí trái nhất hoặc phải nhất của cung tròn thì chiều cao nhấp nhô là lớn nhất, ta cần tìm ra đại lượng này để khi gia công lựa chọn giá trị S0 hợp lý để

có được giá trị hs nằm trong giới hạn cho phép của

bề mặt gia công (hs ≤ [hs]) Qua sơ đồ hình 1.13 có

thể xây dựng được công thức 1.7 dùng để tính

bước tiến ngang khi gia công bề mặt cong lõm

bằng dao phay ngón đầu cầu trên máy phay 3 trục

để đạt được chiều cao nhấp nhô bề mặt hs ≤ [hs]

2 21 0

2

s h S

Hình 1.13 Sơ đồ xác định chiều cao nhấp

nhô khi gia công mặt cong lõm bằng dao

đầu cầu

Hình 1.12 Sơ đồ xác định chiều cao

nhấp nhô khi gia công mặt cong lồi

bằng dao đầu cầu

ρ

Hình 1.14 Chiều cao nhấp nhô khi cắt bằng dao phay trụ đầu phẳng

1.4.1.2 Chiều cao nhấp nhô khi gia công sử dụng dao phay đầu phẳng

Dao phay ngón đầu bằng được dùng phổ biến khi gia công trên các máy phay 3 trục và các máy phay 5 trục, vị trí tương quan giữa dao và phôi tốt nhất cho chế độ cắt và tạo hình là trục dao tạo với pháp tuyến bề mặt tại điểm tiếp xúc một góc θ và hướng chạy dao sao cho chỉ các lưỡi cắt bên làm việc (hình 1.14)

Như vậy về mặt tạo hình dao trụ sẽ trở thành một khối elip hiệu dụng, mặt cắt của elip trong mặt phẳng vuông góc với phương chạy dao có phương trình:

Từ công thức 1.9 ta thấy khi góc

nghiêng θ càng nhỏ thì chiều cao hs càng nhỏ,

khi gia công bề mặt cong bằng dao phay ngón

đầu bằng trên máy phay 3 trục, góc θ biến thiên

từ lớn đến nhỏ khi dao cắt từ điểm 1 tới điểm 3 (Hình 1.15) Như vậy khi gia công mặt cong bằng dao phay ngón đầu phẳng trên máy phay 3 trục thì bề mặt chi tiết đạt được có chiều cao của các nhấp nhô bề mặt do các vết chạy dao tạo thành không đồng đều Khi cắt ở vị trí dốc nhất của cung cong thì chiều cao các nhấp nhô tạo thành tương ứng như khi gia công bằng dao phay đầu cầu, khi cắt ở vị trí cao nhất của cung cong, chiều cao nhấp nhô hình thành tương ứng như khi gia công mặt phẳng

Khi gia công với bước tiến ngang trên bề mặt cong ta có sơ đồ gia công như trên hình 1.16, nhìn trên sơ đồ gia công ta thấy khi gia công bề mặt cong bằng dao phay ngón đầu bằng với bước tiến ngang thì sau khi gia công sẽ để lại trên bề mặt các nhấp nhô dạng bậc thang,

Hình 1.15 Gia công mặt cong

bằng dao phay ngón đầu phẳng

với bước tiến ngang không đổi thì khi dao ở vị trí góc

dốc nhất của cung cong sẽ để lại các nhấp nhô lớn

nhất

So sánh giữa dao phay ngón đầu phẳng và dao

phay ngón đầu cầu khi gia công bề mặt cong ta thấy

rằng nhấp nhô để lại khi sử dụng dao phay đầu cầu là

nhỏ hơn nhấp nhô khi sử dụng dao đầu phẳng Do vậy

khi gia công bề mặt cong chạy dao với bước tiến

ngang trên cung cong thì ta sử dụng dao phay đầu cầu

sẽ cho các nhấp nhô để lại trên bề mặt gia công nhỏ

hơn (tốt hơn) khi gia công sử dụng dao phay ngón đầu

phẳng Như vậy khi gia công bề mặt cong với bước tiến ngang lớn sẽ để lại các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt có chiều cao rất lớn, trường hợp này chỉ phù hợp với gia công thô, khi gia công thô thường gia công với lượng dư lớn nên yêu cầu chế độ cắt của dao tốt, với dao phay đầu cầu vận tốc cắt V tiến dần tới 0 khi lưỡi cắt dần tới đỉnh của chỏm cầu, do đó chế độ cắt của dao phay ngón đầu cầu rất kém, nhất là gia công với lượng dư lớn nên khi gia công thô người ta thường sử dụng dao phay đầu phẳng

1.4.1.3 Gia công sử dụng một số loại dao khác

a Gia công sử dụng dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn

Gia công bằng dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn khắc phục được một số nhược điểm của dao phay ngón đầu phẳng không có góc lượn và dao phay ngón đầu cầu, khả năng lấy đi lượng dư lớn nhưng vẫn để lại lượng dư giống như dao phay ngón đầu phẳng (nhưng nhỏ hơn nếu cùng kích thước đường kính) khi gia công trên máy phay 3 trục Dao phay ngón đầu phẳng có bán kính mũi dao chỉ phát huy tốt khả năng của nó khi gia công trên máy phay 4 hoặc 5 trục

b Gia công sử dụng dao phay ngón đầu côn

Với dao phay ngón đầu côn có hai loại là đầu côn cầu và đầu côn phẳng, hai loại dao này về khả năng lấy đi vật liệu cũng tương ứng giống như dao phay ngón đầu phẳng và dao phay ngón đầu cầu Ưu điểm nổi bật của dao phay ngón đầu côn là độ cứng vững cao hơn dao phay ngón trụ

1.4.2 Mối quan hệ tương quan giữa hình học bề mặt không gian và hình học dụng cụ cắt trong gia công với bước tiến ngang nhỏ

Bề mặt không gian tổng quát được hình thành bởi các phần bề mặt lồi (hình 1.17a),

Hình 1.16 Lượng dư để lại khi gia

công bằng dao phay ngón đầu phẳng

ρρρρ

Hình 1.17 Điểm tạo hình tại các vùng bề mặt khác nhau

trục OZ (hình 1.17c)

Khi gia công một bề mặt không gian tổng quát, dụng cụ phải đi qua các phần bề mặt trên, một điểm chung là khi tạo hình qua các phần bề mặt khác nhau là bề mặt dụng cụ phải tiếp xúc với bề mặt cần gia công tại một điểm M nào đó nằm trên chu vi đường tròn ở mặt đáy dụng cụ, điểm đó được gọi là điểm tạo hình

Xét một bề mặt không gian bất kỳ như trên hình 1.18 Nếu ta xét một phân tố diện tích

vô cùng nhỏ ∆F bất kỳ trên bề mặt không gian, khi đó độ cong của phân tố diện tích đó rất nhỏ (hay bán kính cong vô cùng lớn so với phân tố diện tích đó) và ta có thể coi gần đúng phân tố đó là một mặt phẳng, mặt phẳng đó được đặc trưng bởi véc tơ pháp tuyến n và hai véc

tơ chỉ phương u và v Do bề mặt cong ta có thể coi như được tạo bởi nhiều mặt phẳng nhỏ (có diện tích ∆F) ghép lại, phần diện tích này càng nhỏ thì bề mặt càng cong trơn và khi gia công mặt cong với bước tiến dao đủ nhỏ ta có thể coi một cách gần đúng là gia công các mặt phẳng liên tiếp có các véc tơ pháp tuyến n khác nhau

Hình 1.19 Quỹ đạo điểm tạo hình

Khi gia công dụng cụ cắt quay tròn, chưa xét đến yếu tố quỹ đạo của đường chạy dao thì quỹ đạo của điểm tạo hình M là một đường tròn, có tâm là tâm của trục dao, lúc này gọi là đường tròn tạo hình Nếu gia công bằng dao phay ngón hình trụ đầu phẳng thì điểm M nằm trên vòng tròn đáy của dao, có khoảng cách đến tâm quay đúng bằng bán kính của dao (hình 1.19a) Nếu sử dụng dao phay ngón đầu cầu thì quỹ đạo điểm M cũng là một đường tròn nhưng có bán kính r (hình 1.19b) bằng khoảng cách từ điểm M tới tâm dao

Tốc độ cắt của điểm tạo hình được tính theo công thức:

21000

n: tốc độ quay của trục chính (dao), vòng/phút

So sánh về chế độ cắt của hai loại dao trên khi gia công cùng một bề mặt, cùng tốc độ quay của dao thì theo công thức 1.10 ta thấy dao phay ngón đầu phẳng có chế độ cắt tốt hơn (V = Vmax), còn dao phay ngón đầu cầu có tốc độ của điểm M biến thiên từ 0 cho đến Vmax, chỉ đạt đến Vmax khi véc tơ pháp tuyến của mặt cong tại vị trí cắt vuông góc với trục của dao (trục OZ) Do vậy nếu xét ở góc độ chế độ cắt thì khi gia công bề mặt cong có thể lựa chọn một trong hai loại dao (đầu cầu và đầu phẳng) thì ta ưu tiên chọn dao đầu phẳng

Giả sử khi gia công véc tơ pháp tuyến n của mặt cong tại điểm M hợp với trục OZ (trục dao) một góc θ (hình 1.19), chúng ta xét trong trường hợp gần đúng là mặt cong được ghép lại bởi nhiểu mặt phẳng nhỏ có véc tơ pháp tuyến N khác nhau

Sau đây là khảo sát khả năng lấy đi lượng dư gia công trong hai trường hợp dùng dao phay đầu phẳng và dao phay đầu cầu:

1.4.2.1 Dao phay ngón đầu phẳng

Gia công bằng dao phay ngón đầu phẳng khi góc θ = 0o thì lúc đó đường tròn tạo hình trùng với tiết diện ∆F, như vậy về mặt lý thuyết thì lượng dư sẽ được lấy đi hết và gia công

đạt chất lượng bề mặt tốt nhất Trong thực tế khi gia công trên máy phay 3 trục có góc θ = 0ochỉ xảy ra khi gia công mặt phẳng gá đặt vuông góc với trục dao hoặ ở một phần nhỏ trên đỉnh của bề mặt không gian, còn các vị trí khác thì góc α luôn khác 0 Do vậy khi gia công các mặt nghiêng nếu có thể thì ta tìm cách gá đặt sao cho mặt đó vuông góc với trục OZ, lúc đó lượng

dư gia công sẽ được lấy đi hết theo lý thuyết

a Gia công mặt cong lồi

Khi góc θ ≠ 0 cũng giống như đối với gia công có bước tiến lớn, ta có thể tính chiều cao các đỉnh nhấp nhô theo hình 1.14 Như vậy về mặt tạo hình dao trụ sẽ trở thành một khối elip hiệu dụng, mặt cắt của elip trong mặt phẳng vuông góc với phương chạy dao có phương trình (1.8) Khi đó chiều cao nhấp nhô hs sẽ được tính theo công thức (1.9) Từ công thức 1.9

ta thấy khi góc nghiêng θ càng nhỏ thì chiều cao hs càng nhỏ, hs = 0 khi θ = 0 và hsmax khi θ =

90o

Đối với một bề mặt không gian bất kỳ ta quan tâm tới giá trị hsmax và nếu giá trị này nhỏ hơn giá trị chiều cao nhấp nhô cho phép thì đương nhiên ở các phần còn lại khác của bề mặt cong chiều cao các đỉnh nhấp nhô sẽ thỏa mãn yêu cầu (nhỏ hơn giá trị cho phép) Khi đó sinθ = 1 và hsmax được tính theo công thức:

b Gia công mặt cong lõm

Sơ đồ gia công mặt cong lõm khi góc giữa pháp tuyến của mặt cong tại điểm cắt và trục dao θ ≠ 0 như trên hình 1.20a, nếu bán kính dao R nhỏ hơn bán kính cong của của bề mặt cần gia công thì khi đó có hiện tượng bỏ lại lượng dư, do vậy trong trường hợp này cần chọn dao có bán kính nhỏ hơn bán kính cong ρ của bề mặt gia công để đảm bảo cắt hết lượng dư trên bề mặt chi tiết

Trường hợp này ngay cả khi bán kính cong của bề mặt lớn hơn bán kính của dao

nhưng hiện tượng bỏ lại lượng dư vẫn xảy ra Trên mặt cắt qua đường tâm dao phần lượng dư

bỏ lại đúng bằng phần cung có đoạn chắn cung bằng đường kính dao, đường kính dao càng

nhỏ thì phần lượng dư để lại càng nhỏ, nhưng ta không thể lựa chọn phương án giảm đường

kính dao để lượng dư bỏ lại nằm trong phạm vi cho phép được mà ta cần tìm ra một phương

án khác để giải quyết vấn đề này

1.4.2.2 Dao phay ngón đầu cầu

a Gia công mặt cong lồi và mặt phẳng

Đối với dao phay đầu cầu thì quỹ đạo của

điểm cắt M (khi chưa xét đến yếu tố đường chạy

dao) là một mặt cầu có bán kính R, khi đó sơ đồ

tạo hình được thể hiện như hình 1.21 và chiều cao

các đỉnh nhấp nhô được tính theo công thức (1.9)

Từ công thức này ta thấy khi gia công bằng dao

phay ngón đầu cầu thì chiều cao nhấp nhô của bề

mặt chi tiết đạt được không phụ thuộc vào góc nghiêng θ giữa pháp tuyến của mặt cong tại điểm

gia công và trục dao, do đó khi gia công bề mặt

không gian với bước tiến ngang nhỏ thì chiều cao nhấp nhô để lại là như nhau trên toàn bộ bề

mặt gia công

Từ công thức 1.9 và 1.11 ta thấy với cùng đường kính dao, cùng bước tiến So thì chiều

cao nhấp nhô để lại khi gia công bằng dao phay đầu cầu bằng chiều cao lớn nhất của các đỉnh

nhấp nhô khi gia công bằng dao phay ngón đầu phẳng, mà giá trị này chỉ xảy ra khi góc θ = 0

Như vậy khi gia công bề mặt không gian việc chọn dao phay ngón đầu phẳng sẽ cho chiều cao

các đỉnh nhấp nhô nhỏ hơn (hay chất lượng bề mặt tốt hơn) khi so với gia công bằng dao phay

ngón đầu cầu Trong trường hợp gia công bằng dao phay ngón đầu phẳng có góc θ ≠ 0 thì tìm

phương án lựa chọn đường chạy dao thích hợp để chiều cao các đỉnh nhấp nhô đạt giá trị nhỏ

nhất

b Gia công phần mặt cong lõm

Khi gia công mặt cong lõm có góc giữa pháp tuyến của mặt cong tại điểm cắt và trục

dao θ ≠ 0 cũng giống như trường hợp sử dụng dao phay ngón đầu phẳng, ta cũng phải chọn

sao cho bán kính của dao nhỏ hơn bán kính cong của bề mặt cần gia công để đảm bảo hớt hết

lượng dư

Hình 1.21 Tạo hình bằng dao

phay ngón đầu cầu

So

Trong gia công phần mặt cong lõm có véc tơ

pháp tuyến tại điểm cần gia công hợp với trục dao

một góc θ ≈ 0, ta có sơ đồ gia công như trên hình

1.22

Từ sơ đồ gia công ta thấy khi bán kính dao

nhỏ hơn bán kính cong của bề mặt cần gia công thì sẽ

đảm bảo lấy được đi hết lượng dư trên bề mặt chi tiết

Như vậy khi gia công bề mặt cong lõm ta chọn dao đầu phẳng có bán kính cong nhỏ hơn bán kính cong nhỏ nhất của phần cung lõm, còn phần đáy của cung lõm (phần cung có góc θ ≈ 0)

ta sử dụng dao phay đầu cầu có bán kính nhỏ hơn bán kính cong của phần cung lõm đó để hớt hết phần lượng dư mà dao phay ngón đầu phẳng để lại

1.5 Ảnh hưởng của hình học đường chạy dao tới độ chính xác gia công phay bề mặt 3D

1.5.1 Gia công thô

Khi gia công thô hốc, mục đích là lấy đi được nhiều lượng dư của chi tiết, khử các sai

số hình dáng hình học của phôi, tạo lượng dư đồng đều cho bước gia công tinh Vì vậy khi gia công thô người ta thường gia công với bước tiến dao lớn, lượng dư mỗi lần cắt lớn và chọn phương án chạy dao sao cho lượng dư để lại được đồng đều trên bề mặt phôi cho bước gia công tinh, nếu lượng dư không đồng đều thì khi gia công tinh chiều sâu cắt thay đổi, làm cho lực cắt thay đổi gây ra sai số hình dạng trên chi tiết

a Đường chạy dao dạng đường gạch mặt cắt (Hatch roughing)

Kiểu chạy dao này cho phép đặt đường chạy dao nghiêng một góc nhất định so với trục

X, kiểu đường chạy dao này thích hợp với việc gia công các hốc dạng hình hộp chữ nhật hoặc

bề mặt phẳng Với phương án chạy dao này nếu phương chạy dao song song với cạnh của bề mặt cần gia công thì cho phép lấy đi lượng dư tốt nhất trên chi tiết

Hình 1.22 Gia công mặt cong lõm

bằng dao phay đầu cầu

a Kiểu gạch mặt cắt thẳng b Kiểu gạch mặt cắt xiên

Hình 1.26 Phôi sau khi gia công thô

bằng dao phay ngón đầu bằng với kiểu chạy dao contour

Khi gia công với đường chạy dao là đường dạng

gạch mặt cắt với các hốc có các biên dạng cong ở giữa,

phương pháp này cho phép người dùng lựa chọn tối ưu

hóa quỹ đạo chạy dao (Keep cutting direction) (hình

1.24) khi quỹ đạo của đường chạy dao được tối ưu hóa

thì khi gặp các biên dạng cong nó sẽ uốn theo biên dạng

đó và khả năng lấy đi lượng dư là lớn nhất, giúp cho

bước gia công thô để lại lượng dư trên bề mặt đồng đều

hơn

b Đường chạy dao là đường Contour

Với kiểu chạy dao này đường dao sẽ chạy theo

từng đường kín uốn theo biên dạng chi tiết cần gia

công từ trong ra ngoài hoặc từ ngoài vào trong để cắt

hết lượng dư gia công Phương pháp chạy dao theo

contour nếu phay hốc với cùng một chế độ cắt sẽ cho

năng suất cao hơn phương án chạy dao theo kiểu gạch

mặt cắt (ví dụ: khi gia công hốc như hình 1.25 thời

gian gia công sẽ tiết kiệm được 15 phút) Tuy nhiên

với phương án chạy dao này khi gia công chi tiết có bề

mặt cong 3D thì lượng dư để lại giữa các lớp cắt rất

lớn và không đều nhau như trên hình 1.26, do đó

lượng dư để lại cho bước gia công tiếp theo sẽ không

đồng đều và dẫn đến sai số gia công do yếu tố hình

học của nguyên công sát trước để lại

Như vậy để tiết kiệm thời gian gia công khi gia công

chi tiết có bề mặt 3D thì ta có thể sử dụng phương án

đường chạy dao theo contour và để lại một lượng dư

đủ để thực hiện gia công bán tinh và gia công tinh

c Chạy dao theo phương án dao ăn theo trục Z hết

chiều sâu

Với phương án chạy dao này khi sử dụng dao

phay ngón, dao sẽ cắt theo lưỡi cắt mặt đầu, khả

năng cắt của dao sẽ kém hơn do đó không thể cắt với

Hình 1.25 Chạy dao theo contour

Hình 1.27 Gia công dao ăn theo trục Z Hình 1.24 Tối ưu hóa

quỹ đạo đường chạy dao

1.5.2 Gia công bán tinh (Semi-finish) và gia công tinh (finish)

Gia công bán tinh nhằm mục đích tạo ra bề mặt chi tiết có lượng dư đồng đều cho bước gia công tinh, ở bước gia công bán tinh có thể sử dụng chế độ cắt cao, dung sai đạt được

có giá trị nhỏ hơn nhiều so với gia công thô

Lượng dư còn lại sau bước gia công bán tinh sẽ được hớt hết bởi bước gia công tinh, bước này quyết định rất nhiều đến độ chính xác của bề mặt chi tiết gia công, do vậy với từng

bề mặt cụ thể mà ta lựa chọn kiểu đường chạy dao khác nhau để chất lượng bề mặt đạt được tốt nhất

Việc lựa chọn phương án chạy dao cần tùy thuộc vào dạng chi tiết cần gia công để có lựa chọn phù hợp sao cho chiều cao nhấp nhô sau gia công là nhỏ nhất

Trong mục 1.4 chúng ta đã xét ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến chất lượng tạo hình trong gia công bề mặt không gian 3D với dao phay đầu cầu gia công với bước tiến ngang nhỏ Với kiểu đường dụng cụ bất kỳ khi gia công mặt tạo hình của dao cầu là mặt cầu nên chiều cao nhấp nhô hình thành sau khi gia công là như nhau Cho nên chúng ta chỉ xét ảnh hưởng của hình học đường chạy dao trong trường hợp gia công bằng dao phay ngón đầu phẳng

Giả sử cần gia công một mặt cong C bất kỳ với dao phay ngón đầu phẳng có bán kính

R, dao tiếp xúc với bề mặt cong tại điểm M như trên hình 1.28 Do dụng cụ cắt chuyển động quay với vận tốc tương đối lớn (khoảng vài nghìn vòng/phút) cho nên điểm cắt của dao có thể coi là một đường tròn tạo hình, đường tròn đó có tâm trùng với tâm của dao và bán kính bằng với bán kính dao

Hình 1.28 Sơ đồ tính đường tạo hình Hình 1.29 Sơ đồ tính hình chiếu của đường tròn tạo hình lên măt phẳng Q

Hình 1.30 Hình chiếu của đường tròn tạo hình lên

mặt phẳng vuông góc với véc tơ tốc độ chạy dao

tức thời

n: véc tơ pháp tuyến của bề mặt cong tại điểm M

V: véc tơ hướng chạy dao tức thời tại điểm M

Khi đó nhìn theo phương của véctơ V đường tròn tạo hình suy biến thành đường elip, hay nói cách khác đường tạo hình nhìn theo phương véc tơ V là hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng qua điểm M và vuông góc với véc tơ V (gọi là mặt phẳng Q)

Đặt tại điểm tiếp xúc M một hệ trục tọa độ OXY như trên hình 1.28 với trục OX là tiếp tuyến của bề mặt chi tiết tại điểm M Giao tuyến của mặt phẳng P với mặt phẳng OXY là đường thẳng d, góc giữa đường thẳng d và trục OX là góc α Góc giữa mặt phẳng Q và mặt phẳng OXY là góc θ

Trên mặt phẳng Q đặt một hệ trục tọa độ X’OY’ sao cho OX’ trùng với đường giao tuyến d Hình chiếu của tâm đường tròn tạo hình I lên mặt phẳng P là I’1, ta có tọa độ của điểm I’1 trong hệ tọa độ X’OY’ là:

X’1 = R.sinα

Y’1 = -R.cosα.cosθ

Khi chiếu đường tròn tạo hình lên mặt phẳng Q thì theo phương OX’ đường kính đường tròn giữ nguyên chiều dài, lúc này là trục dài của elip (bán trục dài là R), theo phương OY’ bán trục ngắn của elip là R.cosθ Phương trình đường elip (hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng P) trong hệ tọa độ X’OY’ có tâm I’ là:

( ' sin ) ( ' os os )

1( os )

Hình 1.31 Hình chiếu của đường

tròn tạo hình trên mặt phẳng Q

M càng lớn và tâm của elip càng dịch chuyển ra xa điểm tiếp xúc theo trục OX’ hay nói cách khác khi góc α tăng thì điểm tiếp xúc (cũng là điểm gốc tọa độ O) M sẽ dịch chuyển về phía đầu cung nhỏ của elip, và ngược lại khi góc α giảm thì điểm tiếp xúc M sẽ dịch chuyển về phía bán kính cong lớn của đường elip (hình 1.32a ứng với góc α = 90o và hình 1.32b ứng với góc α

= 0o) Khi dụng cụ cắt dịch chuyển theo phương V thì đường elip này sẽ quét trong không gian tạo thành khối quét, khối quét này tiếp xúc với bề mặt cần gia công theo đường dịch chuyển của dụng cụ (điểm M dịch chuyển theo V) và phần giao giữa khối này và phôi là phần lượng

dư sẽ được lấy đi khi gia công

Nhìn trên hình 1.33 ta thấy ở trường hợp b lượng dư được lấy đi nhiều hơn và bề mặt tạo thành gần đúng với bề mặt chi tiết hơn, do đó chất lượng bề mặt sau gia công sẽ tốt hơn Như vậy nếu chỉ xét tới yếu tố ảnh hưởng là α, khi α càng nhỏ thì lượng vật liệu trên bề mặt cần gia công được cắt bỏ đi càng lớn và chiều cao nhấp nhô hs để lại càng nhỏ và ở vị trí góc

α = 0o (khi véc tơ hướng chạy dao tức thời nằm trong mặt phẳng chứa véc tơ pháp tuyến n và trục dụng cụ) thì lượng hớt vật liệu sẽ tốt nhất Khi α = 90o thì chiều cao nhấp nhô để lại là lớn nhất

• Xét yếu tố ảnh hưởng là góc nghiêng θ của véc tơ hướng chạy dao tức thời và phương của trục dao

Từ công thức tính bán trục nhỏ của elip

b=R.cosθ ta thấy khi góc θ càng tăng thì b càng giảm,

nghĩa là hình elip càng dẹt, do vậy mà biên dạng thực

của chi tiết sau khi gia công càng gần với biên dạng

lý thuyết và khi θ = 0o thì hình elip trở thành một

đường thẳng, đường thẳng này quét theo hướng của

Hình 1.32 Chiều cao nhấp nhô để lại sau

khi gia công

Hình 1.33 Chiều cao nhấp nhô

để lại sau khi gia công

phẳng Nếu coi bề mặt chi tiết trong một tiết diện nhỏ ∆F là một mặt phẳng có véc tơ pháp tuyến tại đó là n, trong trường hợp mặt phẳng quét bởi đường tạo hình và mặt phẳng của chi tiết trùng nhau (véc tơ pháp tuyến n trùng với trục dao và vuông góc véc tơ hướng chạy dao tức thời) thì lượng dư trên bề mặt chi tiết được cắt bỏ đi hết, khi đó bề mặt thực của chi tiết sau gia công trùng với bề mặt lý thuyết và đây là trường hợp lý tưởng của đường chạy dao trong gia công

Trường hợp véc tơ pháp tuyến n trùng với trục dao và vuông góc véc tơ hướng chạy dao tức thời chỉ đạt được khi gia công các mặt phẳng vuông góc với trục dao, phần đỉnh của mặt cong và gia công trên máy phay 5 trục

Nhận xét: Trong gia công bề mặt không gian, để chất lượng bề mặt chi tiết đạt được tốt nhất (ở góc độ độ chính xác hình học) về mặt lý tưởng là lựa chọn sao cho trục của dao trùng với véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công và vuông góc với véc tơ hướng chạy dao tức thời Trong gia công trên máy phay CNC 3 trục thì không thể lựa chọn được phương án trục của dao trùng với véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công, do đó để chiều cao nhấp nhô còn lại trên bề mặt chi tiết sau khi gia công là nhỏ nhất thì phải chọn đường chạy dao sao cho véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công, véc tơ hướng chạy dao tức thời và trục của dao cùng nằm trên một mặt phẳng (hình 1.34) Trong trường hợp này khi góc giữa véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công và trục của dao càng nhỏ (hay góc giữa véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công

và véc tơ hướng chạy dao tức thời càng lớn) thì chiều cao nhấp nhô của bề mặt đạt được càng nhỏ, và đây chính là phương án đường chạy dao tối ưu trong gia công trên máy phay 3 trục

1.6 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngành cơ khí cũng không ngoài trào lưu đó và công nghệ CAD/CAM là một trong thành tựu đáng kể hiện nay

nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như sản suất ô tô, thiết bị văn phòng, thiết bị gia dụng… Do những nhu cầu cấp thiết đó nên các nhà khoa học luôn tìm tòi nghiên cứu để có thể nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm giá thành sản xuất, các hướng nghiên cứu được các tác giả tập trung là:

* Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến lực cắt, chất lượng bề mặt:

+ Đánh giá yếu tố lực cắt khi gia công bề mặt tự do [18] của các tác giả A Lamikiz, L.N López de Lacalle, J.A Sánchez, M.A Salgado đăng ở tạp chí International Journal of Machine Tools and Manufacture Bài báo trình bày một nghiên cứu về mô hình dự đoán lực cắt khi phay bề mặt dốc lên và dốc xuống, với mục đích để tính toán lực cắt cơ bản trên tập

hợp hệ số phụ thuộc vào vật liệu gia công, điều kiện cắt, và hướng gia công, độ dốc của bề mặt Các tác giả đã thực hiện các thí nghiệm trên hai vật liệu là nhôm và thép có độ cứng 52HRC để kiểm nghiệm các sai lệch kết quả đo khi gia công nhằm ứng dụng khi gia công bề mặt tự do

+ Xác định hình dạng của phoi, lực cắt và nhám bề mặt khi gia công bề mặt tinh tự do với dao phay đầu cầu [50] của các tác giả K.D Bouzakis, P Aichouh, K Efstathiou được đăng trong tạp chí International Journal of Machine Tools and Manufacture Nghiên cứu trình bày một thuật toán “ball-mill” với sự hỗ trợ của máy tính để dự đoán các yếu tố công nghệ xảy ra trong quá trình gia công như lực cắt, hình dáng của phoi, chất lượng bề mặt khi gia công các bề mặt

tự do

+ Nghiên cứu quá trình cắt khi phay bề mặt tự do bằng dao phay đầu cầu trong sản xuất khuôn mẫu [16] của Adriano Fagali de Souza, Anselmo Eduardo Diniz, Alessandro Roger Rodrigues, Reginaldo Teixeira Coelho đăng ở tạp chí The International Journal of Advanced Manufacturing Technology Bài báo trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của yếu tố vận tốc cắt đến lực cắt và chất lượng bề mặt khi gia công thép AISIP20 bằng dao phay đầu cầu, giải thích các hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt bằng việc xác định điểm tiếp xúc thông qua đường dụng cụ

+ Dương Xuân Trường, Nguyễn Văn Hùng “Tối ưu hóa chế độ cắt khi phay vật liệu SKD61 bằng mảnh dao phủ PVD – Tialn” [3] ở bài báo công bố nghiên cứu này các tác giả trình bày kết quả nghiên cứu tối ưu hoá chế độ cắt khi phay vật liệu SKD61 bằng mảnh dao phủ PVD - TIALN, giải bài toán tối ưu hoá bằng phương pháp thực nghiệm theo mục tiêu tối ưu hoá về năng suất gia công, mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt, kết hợp với nghiên cứu cơ chế mòn của dụng cụ cắt để phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu

+ Phạm Văn Bổng “Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công mặt trụ ngoài trên

máy tiện CNC” [9] Luận án tiến sỹ trường ĐHBK Hà Nội ở nghiên cứu này bằng thực

nghiệm tác giả đã xác định được các công thức quan hệ giữa mòn dụng cụ, chất lượng bề mặt, lực cắt trong quá trình gia công với chế độ cắt, từ đó tác giả lập hàm tối ưu hóa khí gia công chi tiết trụ tròn trên máy tiện CNC

* Nghiên cứu về đường dụng cụ (chiến lược chạy dao):

+ Lựa chọn chiến lược chạy dao khi gia công bề mặt tự do phức tạp [46] của các tác giả M Kaymakci, I Lazoglu đăng ở Machining Science and Technology Nghiên cứu trình bày phương pháp xây dựng, sử dụng phần mềm CAM để dự đoán lực cắt, xác định động học của phôi và dụng cụ khi gia công bề mặt không gian đối với mọi loại đường dụng cụ

+ Dự đoán lực cắt và sai số gia công khi gia công các bề mặt cong bằng dao phay dầu cầu – Phần I: phân tích lý thuyết [26] của Bernard W Ikua, Hisataka Tanaka, Fumio Obata, Satoshi Sakamoto đăng trên Precision Engineering Bài báo trình bày nghiên cứu lý thuyết về dự đoán sai số về hình dáng hình học của chi tiết thông qua lực cắt khi gia công các bề mặt nghiêng với các hướng chạy dao khác nhau khi đường dụng cụ là dạng contour và chạy dao với phương pháp dốc

+ Xác định lực cắt khi gia công bằng dao phay đầu cầu [47] của tác giả M Milfelner, J

Kopac, F Cus, U Zuperl được công bố trong Journal of Materials Processing Technology

Trình bày chương trình dự đoán lực cắt khi phay bằng dao phay cầu bằng phương pháp đo lực cắt và sử dụng tin học để viết chương trình xác định lực cắt

+ Vấn đề trong gia công bề mặt tự do thông qua dự đoán giá trị lực cắt gần đúng [13] của Anton Gittens, B.V Chowdary nghiên cứu về tối ưu hóa trong quá trình gia công phay bằng dao phay ngón đầu bằng với mục tiêu là chất lượng bề mặt cao nhất, thời gian gia công và lực cắt là nhỏ nhất

+ Dự đoán lực cắt bằng bản đồ Z khi gia công bề mặt tự do bằng dao phay ngón đầu cầu [33] của G.M Kim, P.J Cho, C.N Chu đăng trên International Journal of Machine Tools and Manufacture, trình bày một phương pháp để xác định lực cắt khi gia công bề mặt tự do dựa trên cơ sở bản đồ Z của hình dạng bề mặt và dụng cụ cắt tức thời, cạnh của dụng cụ cắt được chiếu lên bề mặt pháp tuyến của dụng cụ cắt và so sánh với bề mặt mà dụng cụ tiếp xúc thu được từ bản đồ Z Trong bài báo cũng phân tích mối quan hệ của hình dạng phoi và góc nghiêng của dụng cụ

+ Dự đoán lực cắt và sai số gia công khi gia công các bề mặt cong bằng dao phay dầu cầu – Phần II: Thực nghiệm kiểm chứng [25] của Bernard W Ikua, Hisataka Tanaka, Fumio Obata, Satoshi Sakamoto, Takeyasu Kishi, Tatsuo Ishii đăng trên Precision Engineering Bài báo trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về độ chính xác gia công các bề mặt cong lồi và lõm với các kiểu đường dụng cụ khác nhau và phương chạy dao khác nhau dựa trên cơ sở phân tích yếu tố lực cắt Các tác giả sử dụng vi lượng kế và máy đo tọa độ 3 chiều CMM để xác định sai lệch kích thước gia công

+ Dự đoán lực cắt khi gia công bằng dao phay cầu dựa trên cơ sở phân tích thuộc tính hình học của dụng cụ [27] của tác giả Chung-Liang Tsai, Yunn-Shiuan Liao được công bố trên Journal of Materials Processing Technology Công trình công bố nghiên cứu về mô hình hình học khi phay bằng dao phay đầu cầu dựa trên cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa chiều dày phoi, vận tốc cắt Các tác giả đã xây dựng được ma trận chuyển đổi để xác định các lực cắt

cắt Từ đó dự đoán lực cắt theo phương ngang và phương dọc, lực cắt theo phương Z biến đổi khi dụng cụ bị mòn

+ Ngoài ra còn có các nghiên cứu về mô hình hóa lực cắt khi gia công bề mặt tự do trên trung tâm gia công 3 trục, 5 trục của Ismail Lazoglu và các tác giả thực hiện tại đại học KOC, Thổ Nhĩ Kỳ [31], [38], [59]

+ Một nghiên cứu để nâng cao quá trình gia công bề mặt tự do thông qua thuật toán thay đổi lượng tiến dao [24] của các tác giả Boppana V Chowdary, Anton Gittens đăng trên tạp chí International Journal of Manufacturing Research Trong bài báo này các tác giả đã nghiên cứu

về sự ảnh hưởng của đường dụng cụ và lượng tiến dao đến chất lượng bề mặt và thời gian gia công khi gia công bề mặt Coons Các tác giả đã sử dụng phương pháp Taguchi để đánh giá kết quả thực nghiệm và thấy rằng yếu tố đường dụng cụ có ảnh hưởng lớn hơn so với lượng tiến dao

+ Nghiên cứu thực nghiệm về phay cao tốc bằng dao phay đầu cầu khi gia công vật liệu Titanium Alloy (Ti-6Al-4V) [45] của M H Baccar, E Bayraktar, T Rickert, M Boujelbene,

D Katundi công bố trong Experimental and Applied Mechanics, Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series Nghiên cứu về ảnh hưởng của vị trí của dao đầu cầu và các tham số công nghệ khi phay cao tốc vật liệu Ti-6Al-4V có dạng bề mặt lõm, kết quả được đánh giá bằng kính hiển vi điện tử so sánh bề mặt của chi tiết và dụng cụ trước

và sau khi gia công

+ Phân tích chất lượng bề mặt gia công khi gia công khuôn cán đơn giản với vật liệu Inconel

718 bằng dao phay ngón đầu cầu [34] của Harshad A Sonawane, Suhas S Joshi đăng trên Journal of Manufacturing Processes Bài báo trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số công nghệ đến nhám bề mặt khi gia công bề mặt khuôn cán đơn giản bằng phay ngón đầu cầu, nghiên cứu cũng giúp xác định ảnh hưởng của vùng gia công đến nhám bề mặt

+ Ảnh hưởng đường kính làm việc của dao phay ngón đầu cầu đến chất lượng bề mặt tự do [21] của Balázs Mikó, Jozef Beňo đăng trên Metariala Science and Engineering, công trình công bố nghiên cứu thực nghiệm về sự ảnh hưởng của đường kính dao phay ngón đầu cầu đến chất lượng bề mặt tự do Các tác giả sử dụng phương pháp tính toán hình học để tính toán độ nhấp nhô khi thay đổi vị trí tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt chi tiết Thực nghiệm cho kết quả tuân theo cơ sở lý thuyết đã xây dựng

+ Thực nghiệm xác định chiều cao nhấp nhô khi phay bề mặt cong lồi 3D [22] của tác giả Balázs Mikó, Jozef Beňo, Ildikó Maňková đăng trên Acta Polytechnica Hungarica Trình bày nghiên cứu thực nghiệm xác định chiều cao nhấp nhô khi phay bề mặt 3D có dạng cong lồi,

điểm tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết

+ Nghiên cứu các phương pháp để kiểm tra chất lượng bề mặt tự do thông qua việc quét mẫu chế tạo để có dữ liệu CAD rồi từ đó sử dụng các phần mềm hoặc thuật toán để so sánh với mẫu CAD thiết kế với mục đích tìm ra sai số gia công.[4], [48]

+ Sinh đường dụng cụ cho bề mặt tự do [41] của các tác giả Li, F Wang, X.C, Ghosh, S K và Kong, D.Z được đăng trên tạp chí Materials Processing Technology Trình bày cách tính đường dụng cụ gia công các bề mặt không gian

+ Tính đường dụng cụ đẳng tham số để gia công bề mặt tự do [35] của Huang, Y và Oliver, J.H đăng trên tạp chí ASME computer in Engineering, bài báo trình bày phương pháp tính đường dụng cụ đẳng tham số để gia công bề mặt cong trơn của bề mặt cong trơn

+ Đánh giá chất lượng bề mặt dựa theo chiến lược chạy dao khi gia công bề mặt tự do ứng dụng trong khuôn mẫu [17] của Adriano Fagali de Souza; Adriane Machado; Sueli Fischer Beckert; Anselmo Eduardo Diniz được trình bày trong 6th CIRP International Conference on High Performance Cutting, HPC 2014 cho thấy rằng qua thực nghiệm chế tạo một lõi khuôn với các đường chạy dao khác nhau thì yếu tố đường chạy dao ảnh hưởng rõ rệt đến thời gian gia công và nhám bề mặt Trong nghiên cứu này tác giả xác định đường chạy dao tối ưu thông qua đánh giá chất lượng bề mặt, thời gian gia công

+ Chiến lược chạy dao ngang để phân tích tiết diện phoi trên máy phay CNC 3 trục sử dụng dao phay đầu cầu [43] của Marius Cosma công bố tại 7th International multidsciplinary conference - Baia Mare, Romania Nghiên cứu trình bày phương pháp xác định tiết diện phoi thông qua phần mềm CAD khi gia công các bề mặt có các góc nghiêng biến đổi từ 0o đến 75ovới mục đích xác định vị trí tiếp xúc nguy hiểm giữa dụng cụ và chi tiết, xác định lực cắt thông qua tiết diện phoi từ đó có thể cải thiện hiệu suất cắt

+ Ảnh hưởng của chiến lược chạy dao đến lực cắt và chất lượng bề mặt khi gia công bề mặt lồi có độ cong thấp bằng dao phay ngón đầu cầu [53] của Shaghayegh Shajari, Mohammad Hossein Sadeghi, and Hamed Hassanpour thực hiện tại trường đại học Tarbiat Modares, Iran

Nghiên cứu chỉ ra đối với việc gia công bề mặt lồi có độ cong thấp thì chiến lực chạy dao hình tia cho kết quả tối ưu Với các tham số đầu vào là vận tốc cắt, lượng chạy dao và lượng dịch dao ngang, yếu tố đầu ra là lực cắt, thời gian gia công và chất lượng bề mặt

* Nghiên cứu về mòn dụng cụ và tuổi bền dụng cụ:

+ Tuổi bền của dao phay cầu phụ thuộc vào kiểu chạy dao khi gia công bề mặt dốc [54] của Tomás Vopát, Jozef Peterka, Martin Kovac được trình bày trong Faculty of Materials Science and Technology in Trnava, Slovak university of Technology in Batislava

+ Đo mòn dụng cụ trực tiếp đối với dao phay ngón đầu cầu bằng thiết bị hiển thị hình ảnh [29] của Chen Zhang, Jilin Zhang được thực hiện tại College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China Nghiên cứu trình bày một phương pháp đo mòn dụng cụ cắt mà cụ thể là dao phay ngón đầu cầu Các tác giả sử dụng camera CCD chụp lại các ảnh mòn của dụng cụ trước và trong quá trình gia công Đây là phương pháp đo trực tiếp mà thiết bị đo được gắn trên bàn máy

+ Một nghiên cứu thực nghiệm về mòn dụng cụ cắt và biến thiên lực cắt khi gia công vật liệu Inconel 718 bằng dao phay đầu bằng có mảnh dao phủ Carbide [36] của H.Z Li, H Zeng and

X.Q Chen được đăng Journal of Materials Processing Technology Công bố một nghiên cứu thực nghiệm tại Singapore Institute of Manufacturing Technology về ảnh hưởng của kiểu chạy dao nghịch và thuận, tốc độ cắt đến mòn mặt sau của dao và tốc độ biến đổi lực cắt khi gia công vật liệu khó cằt gọt thường dùng trong lĩnh vực hàng không là Inconel 718

+ Đo mòn dụng cụ với cảm biến quang học và hệ thống thị lực [58] của Wolfgang Weis,

Hartmut Weule, Dieter Spath đăng trên Tạp chí Production Engineering Trong nghiên cứu

này các tác giả trình bày phương pháp giám sát bằng mòn quang học, dùng 2 camera có cùng tiêu cự để chụp ảnh của vùng bị mòn Qua xử lý ảnh và so sánh các thông tin, một bức ảnh không gian 3 chiều của vết mòn được tái tạo lại Từ đó ta có thể rút ra được thông tin về độ lớn cũng như chiều sâu của vết mòn

+ Nghiên cứu mài mòn dao phay đầu bằng khi gia công khuôn mẫu trên máy phay CNC [12] luận án tiến sỹ của Trần Xuân Thái trình bày phương pháp đo mòn mặt sau bằng đồng hồ so hiển thị số và tính tuổi bền dụng cụ thông qua chiều dài cắt vòng

Kết luận và hướng nghiên cứu của đề tài

Chương này trình bày các vấn đề cơ bản trong quá trình tạo hình bề mặt gia công trên máy phay CNC như:

- Các loại bề mặt tự do cục bộ

- Dụng cụ cắt khi gia công các bề mặt tự do

- Đường dụng cụ khi gia công bề mặt tự do

- Chất lượng bề mặt khi tạo hình bề mặt tự do

Qua phân tích, đánh giá những nghiên cứu, tác giả nhận thấy hiện nay trên thế giới thuật ngữ bề mặt tự do (Sculptured Surface) đã trở nên khá quen thuộc vì ngày nay các sản phẩm ứng dụng bề mặt tự do để tạo hình rất nhiều Để nâng cao độ chính xác hình dáng hình học và chất lượng bề mặt, nâng cao năng suất gia công các nhà nghiên cứu tập trung theo các hướng như sau:

Tính đường dụng cụ, từ đó tối ưu hóa đường chạy dao để giảm thời gian gia công, nâng cao chất lượng chi tiết

Xây dựng, mô hình hóa lực cắt thành phần khi gia công bề mặt tự do

Nghiên cứu về hình học tạo hình giữa dao và phôi

Nghiên cứu tạo hình các loại vật liệu mới, vật liệu cứng

Tuổi bền dụng cụ, mòn dụng cụ cắt khi tạo hình bề mặt tự do

Các nghiên cứu này chủ yếu là các luận án, luận văn và các bài báo khoa học đăng ở các tạp chí hoặc là các báo cáo tại các hội nghị chuyên ngành Tuy nhiên, những nghiên cứu này chỉ đang dừng ở mức độ chủ yếu là các bề mặt nghiêng, bề mặt kẻ với mục đích là thuận lợi cho việc đo kiểm như đo độ nhấp nhô bề mặt tự do, đo lực cắt nên các kết quả nghiên cứu này chưa sát với đối tượng bề mặt thường gia công trên máy CNC Ở trong nước thì nghiên cứu về vấn đề này còn hạn chế chủ yếu là nghiên cứu về các phương pháp đánh giá về độ chính xác kích thước bề mặt tự do thông qua phương pháp so sánh bề mặt thiết kế và bề mặt chi tiết gia công

Trong quá trình gia công bề mặt khuôn mẫu trên máy CNC với tốc độ cắt lớn dẫn đến dụng cụ bị mòn rất nhanh điều này dẫn đến sai số về kích thước chi tiết gia công Do đó, các nhà khoa học tập trung vào xác định quy luật mòn trong quá trình gia công bằng các phương pháp kiểm soát lượng mòn dụng cụ cắt bằng cách sử dụng các cảm biến, các thiết bị quang học từ đó trong quá trình gia công sẽ bù mòn dao tuy nhiên quy luật mòn chỉ đúng với trường hợp gia công các bề mặt đơn giản như là bề mặt phẳng, mặt kẻ…

Ở trong nước, vấn đề mòn dụng cụ tập trung vào hướng nghiên cứu về công nghệ bề mặt để tăng tuổi bền của dụng cụ cắt, tuy nhiên việc kiểm soát lượng mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công còn nhiều hạn chế Chủ yếu đối tượng nghiên cứu là dao phay đầu bằng, dao tiện có hình dáng đơn giản được xác định mòn bằng phương pháp gián tiếp như đo lượng tăng bán kính chi tiết trụ, đo bằng thiết bị quang học như kính lúp… đo mòn bằng đồng hồ so, hạn chế của các phương pháp này là trong quá trình đo xuất hiện về sai số kết quả

Từ những phân tích trên có thể kết luận: Với hướng nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình bề mặt tự do có dạng cục bộ cụ thể là mới mẻ, có tính thời sự cao Tác giả đặt mục tiêu cho luận án giải quyết được các vấn đề khó khăn trong việc đánh giá yếu tố lực cắt, đo mòn dao phay ngón đầu cầu, đo kiểm độ nhấp nhô bề mặt, để thu thập dữ liệu đầu

ra với đối tượng nghiên cứu là bề mặt tự do có dạng elip lõm (bề mặt lõi khuôn cánh quạt)

Với phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm gia công bề mặt tự do lõi khuôn cánh quạt dạng elip lõm để xác định ảnh hưởng của đường dụng cụ, thông số công

có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những nhận thức về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính toán và thiết kế máy móc, thiết bị … Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hóa

lý thuyết quá trình cắt

Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là một hằng số Lực cắt được biến đổi theo quãng đường của dụng cụ Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi tiết gia công Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến dạng phần

tử khác

Khi phay, lực cắt được phân tích thành 3 lực thành phần tác động vào dụng cụ và hệ thống công nghệ là Px, Py, Pz Việc xác định được lực cắt trong quá trình gia công có thể giải quyết được các vấn đề:

- Xác định mối quan hệ giữa lực cắt với chế độ cắt

- Sự phân bố lực cắt trong chu kỳ tuổi bền dụng cụ cắt

Giai đoạn 1: Lực cắt tăng lớn nhất do bắt đầu có sự va đập khi dụng cụ cắt chạm vào chi tiết

Giai đoạn 2: Lực cắt tăng chậm khi thể tích kim loại được bóc đi tăng do tốc độ mòn dao ở giai đoạn này là mòn làm việc nên lực cắt tăng chậm Quan hệ giữa lực cắt và lượng phoi bóc

đi tuân theo một hệ bậc nhất

Giai đoạn 3: Lực cắt thay đổi do giai đoạn này lưỡi cắt hết tuổi bền và bề mặt dụng cụ cắt

bị tróc rỗ

2.1.1 Cơ sở lý thuyết về lực cắt

Các nghiên cứu về quá trình cắt gọt cho thấy chế độ cắt trong quá trình gia công có ảnh hưởng lớn đến sự phát sinh lực cắt Các nghiên cứu của Kronenberg M, Paul H.Black cho rằng lực cắt đơn vị là P là áp lực sinh ra trong quá trình cắt trên mm2 diện tích tiết diện lớp cắt có kích thước bất kỳ Có nghĩa là: f

P

P = z (N/mm2) (2.1) Đây là công thức tổng quát cho mọi trường hợp gia công với chế độ cắt, thông số hình học dao bất kỳ Như vậy có thể thấy rằng diện tích lớp cắt f có ảnh hưởng đến lực cắt Ta biết rằng, diện tích lớp cắt được xác định theo công thức:

f = a.b = s.t (2.2) Trong đó: s là bước tiến dao, t là chiều sâu cắt

Như vậy có thể thấy rằng bước tiến dao và chiều sâu cắt có ảnh hưởng lớn đến lực cắt Nghiên cứu thực nghiệm về sự ảnh hưởng của hai yếu tố trên đến lực cắt đơn vị một số tác giả

đã đưa ra các công thức thực nghiệm để tính lực cắt đơn vị như sau :

Friedrich:

f

C C

1 +

= (2.3) Okoshi và Okochi :

197 , 0

z

xP p

P = (2.7)

Từ công thức (2.7) ta thấy rằng mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và lượng chạy dao tuân theo hàm số mũ

2.1.2 Nghiên cứu hệ thống lực cắt khi phay CNC

Ta có hệ thống lực cắt khi phay, lực cắt tổng Pc nằm trong mặt phẳng vuông góc với đường tâm dao và được phân tích thành lực thành phần theo các phương xác định như sau:

Lực tiếp tuyến Pt là thành phần lực cắt chính để tạo phoi, dựa vào lực này để tính toán công suất máy cần thiết cho quá trình gia công

Lực hướng kính Pr có phương đi qua tâm dao, chiều hướng về tâm do đó có xu hướng đẩy nghiêng trục gá dao trong quá trình gia công, đồng thời tạo ra các áp lực tác động lên các ổ trục chính của máy phay đứng gây ra momen ma sát phụ tác động lên ổ Giá trị của lực này

dùng để tính sức bền trục gá dao và các ổ trục chính của máy

X Y Z

S

S Py

Pc Pt

Pr Px

n

t

B

Hình 2.1 Lực cắt khi gia công bằng dao phay ngón

Lực vuông góc với chiều chuyển động Py gây nên các biến đổi cơ tính lớp bề mặt đã gia công Khi phay bằng dao phay ngón giá trị lực Py dùng để tính lực kẹp chi tiết gia công

Lực chạy dao dùng để tính toán lực kẹp chặt chi tiết gia công và tính toán thiết kế cơ cấu chạy dao Tùy theo phay thuận hay phay ngịch mà nó có tác dụng làm tăng hay khử độ rơ của cơ cấu truyền động vít me – đai ốc

Trong trường hợp tổng quát khi phương của lưỡi cắt dao phay ngón hợp với phương trục dao phay của một góc ω thì lúc này lực cắt tổng quát P sinh ra trong quá trình gia công được biểu diễn như sau:

z y x a t

P

P = + + = + + (2.8) Lực Pz có tác dụng đẩy dao phay dịch chuyển theo phương dọc trục, đồng thời tác động lên ổ chặn của đầu trục máy phay

Các thành phần lực cắt đo được trong quá trình cắt nhờ lực kế 3 thành phần Các thành phần lực cắt khác và các hệ số lực cắt đơn vị cũng có thể tính toán thông qua các thành phần lực cắt này

2.1.3 Mối quan hệ giữa hệ số lực cắt tức thời với các thành phần lực cắt đo được

Tại một vị trí bất kỳ của dao phay trong quá trình gia công, lực cắt tác động lên lưỡi cắt

có thể chia ra 2 thành phần:

- Lực cắt nằm trong mặt phẳng của lưỡi cắt: Pr (lực ma sát) Lực này cũng có thể được chia thành 2 thành phần:

Pv: Lực cắt nằm trong mặt phẳng của mảnh cắt và dọc trục theo lưỡi cắt chính

Ph: Lực cắt nằm trong mặt phẳng của mảnh cắt và vuông góc vuông góc với lưỡi cắt chính

Pn: lực pháp tuyến vuông góc với mặt phẳng cắt

Xét tại điểm M bất kỳ với dao phay ngón ta có mối quan hệ giữa lực cắt tác động lên mặt của lưỡi cắt với diện tích mặt cắt ngang của phoi và các thông số hình học của lưỡi cắt được biểu diễn:

S

A A

n M Sz

N

O X

Hình 2.2 Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón

Trong đó:

Pn(i,θ): Thành phần lực cắt pháp tuyến tác động lên lưỡi cắt tại góc dao cắt θ

Pv(i,θ): Thành phần lực cắt ma sát tác động lên lưỡi cắt tại góc dao cắt θ

γa: góc nghiêng mảnh cắt theo phương dọc trục

γr: góc nghiêng mảnh cắt theo phương bán kính

Huong luc Pt =Pv +Ph Luoi cat mat dau

Luoi cat ngoai

Pv

Ph

Huong kinh Tiep tuyen

Trong thực tế người ta tính toán lực cắt trung bình thông qua diện tích cắt trung bình và lực cắt đơn vị

2.2 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến các thành phần lực cắt khi phay [1]

Theo một số nghiên cứu, phương trình quan hệ giữa lực cắt Pz và các thông số a, b tuân theo quy luật hàm số mũ

y x

z C a b

P = (2.11) Khi gia công các vật liệu như thép, gang và đồng thì x = 1,0; y = 0,75 và c = 150÷200 Lực cắt tỉ lệ thuận với chiều rộng phay B và số răng Z của dao phay

2.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt

Trong vùng biến đổi của tốc độ cắt, khi co rút phoi giảm thì lực cắt cũng giảm và ngược lại Biểu đồ ở hình 2.4 thể hiện sự phụ thuộc của lực cắt Pz vào tốc độ cắt v và góc trước

γ khi gia công thép 40X với chiều dày cắt a = 0,2mm và bề rộng cắt b = 4mm

Hướng kính Dọc trục

Tiếp tuyến

Lưỡi cắt ngoài Lưỡi cắt mặt đầu

Hướng lực P t = P v + P h

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa vận tốc cắt với lực cắt

2.2.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao tới lực cắt

Lực cắt Pz tăng tỷ lệ với bề rộng cắt b hoặc chiều sâu cắt t và với mức độ thấp hơn đối với chiều dày cắt a và lượng chạy dao s Lực cắt đơn vị p phụ thuộc vào chiều sâu cắt t và lượng chạy dao s theo công thức sau:

25 , 0

75 , 0

.

.

s

c s

t

s t c f

P

p = z = = (2.12)

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đối với tất cả các thành phần lực cắt Px, Py và

Pz ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt có thể tính bằng công thức chung:

P

x

P t s C

1 s t

C

Pz = (2.14)

55 , 0 2 , 1

2 t s C

Px = (2.15)

75 , 0 9 , 0

3 t s C

Py = (2.16)

C1, C2, C3 là các hằng số phụ thuộc vật liệu gia công

2.2.4 Ảnh hưởng của vật liệu gia công tới lực cắt

Khi gia công, kim loại bị biến dạng mạnh, lực cắt chịu ảnh hưởng của lực ma sát của

vùng cắt bị nung nóng mạnh Do đó không thể có công thức tính chính xác để tính toán ảnh hưởng của vật liệu gia công cũng như độ bền kéo δB, độ cứng HB và một số tính chất cơ lý khác tới lực cắt Pz

Thực tế để tính Pz thường dùng các công thức:

Pz = CV.δB.q (2.17)

Pz = CV.HB.q (2.18) Trong đó q = 0,5; CV: hệ số phụ thuộc vật liệu gia công

2.2.5 Ảnh hưởng của vật liệu dao tới lực cắt

Ảnh hưởng này tồn tại là do có lực ma sát xuất hiện giữa vật liệu gia công và vật liệu dao

Lực cắt đơn vị p cũng phụ thuộc vào vật liệu theo mức độ khác nhau; cùng một tốc độ cắt nhưng lực cắt đơn vị khi gia công bằng dao thép gió P18 lơn hơn lực cắt đơn vị khi gia công bằng dao hợp kim T5K10 hoặc T48

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa vật liệu làm dao với lực cắt

2.2.6 Ảnh hưởng của các thông số hình học của dao tới lực cắt

2.2.6.1 Ảnh hưởng của góc trước và góc sau tới lực cắt

Góc trước có ảnh hưởng nhiều đến lực cắt Khi góc trước γ tăng, hệ số co rút phoi giảm, điều kiện cắt nhẹ nhàng, thoát phoi dễ, biến dạng của vật liệu gia công giảm và hệ số co rút phoi cũng giảm, do đó lực cắt Qua thực nghiệm ta thấy rằng ảnh hưởng của góc trước đến lực Px và Py nhiều hơn so với lực Pz

Trong quá trình gia công lớp kim loại trên bề mặt gia công bị biến dạng, khi dụng cụ cắt đi qua vùng bề mặt này (mặt đã gia công) đàn hồi trở lại và tiếp xúc với mặt sau của dụng

cụ Nên khi góc sau α giảm, tiếp xúc của dao và bề mặt gia công tăng, làm cho lực ma sát và