Nghiên cứu dao phay ngón và thực nghiệm gia công tạo hình bằng dao phay ngón trên máy phay CNC 3 trục

Ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến chất lượng tạo hình trong gia công bề mặt không gian .... 5 CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CNC Computer Numerical – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy t

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

MỞ ĐẦU 10

1.1 TỔNG QUAN VỀ PHAY VÀ DAO PHAY 14

1.1.1 Định nghĩa về phay 14

1.1.2 Các dạng dao phay chủ yếu 14

1.1.3 Vật liệu làm dao 21

1.1.4 Đặc điểm gia công cắt gọt bằng phay 25

1.1.5 Các phương pháp phay 26

1.2 CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC 28

1.2.1 Các dạng điều khiển của máy phay CNC 28

1.2.2 Qui trình công nghệ gia công trên máy phay CNC 31

1.2.3 Phương pháp thực hiện nguyên công phay trên máy phay CNC 32

1.3 MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY 37

1.3.1 Phân tích các nhân tố có trong mô hình 37

1.3.2 Ý nghĩa của các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt khi phay 40

1.4 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN KHI PHAY BẰNG DAO PHAY NGÓN 43 1.4.1 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công 43

1.4.2 Lượng mòn dao 46

1.4.3 Tuổi bền dụng cụ 49

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 49

CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ DỤNG CỤ, ĐƯỜNG DỤNG CỤ ĐẾN CHẤT LƯỢNG TẠO HÌNH BỀ MẶT KHÔNG GIAN 50

2.1 ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ DỤNG CỤ CẮT TỚI CHẤT LƯỢNG TẠO HÌNH BỀ MẶT KHÔNG GIAN 50

2

2.1.1 Dụng cụ trong gia công bề mặt không gian 50

2.1.2 Ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến chất lượng tạo hình trong gia công bề mặt không gian 52

2.2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG DỤNG CỤ ĐẾN CHẤT LƯỢNG TẠO HÌNH BỀ MẶT 57

2.2.1 Đường dụng cụ trong gia công bề mặt không gian 57

2.2.2 Ảnh hưởng của hình học đường chạy dao đến chất lượng tạo hình trong gia công bề mặt không gian 62

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 68

3.1 ỨNG DỤNG RAPIDFORM TRONG THIẾT KẾ MẪU 69

3.2 Thực nghiệm gia công mẫu 81

3.2.1 Gia công thô 83

3.2.2 Lập trình gia công tinh chi tiết với các dụng cụ cắt có đường kính khác nhau (mẫu 1,2,3) 87

3.2.3 Gia công tinh với đường chạy dao kiểu gạch mặt cắt (mẫu 4) 90

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 92

4.1 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 94

4.2 KẾT LUẬN KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 99

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 100

1 KẾT LUẬN 102

2 KIẾN NGHỊ 103

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo

đã đƣợc ghi rõ trong luận văn

Tác giả

Đặng Văn Hòa

4

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Bùi Ngọc Tuyên, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và thiện Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các Thầy cô trong Viện Cơ khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành Luận văn này

Tác giả bày tỏ lòng cảm ơn đối với đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí trường Đại học Kinh tế- Kỹ thuật Công nghiệp

Do năng lực bản than còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy ( Cô) giáo, các Nhà Khoa học và các đồng nghiệp

Hà Nội, ngày 27 tháng 12 năm 2013

Tác giả luận văn

Đặng Văn Hòa

5

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CNC (Computer Numerical) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính CAD (Computer Aided Design) – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính

CAM (Computer Aided Manufacturing) – Chế tạo có sự trợ giúp của máy tính

OP (Operation) – Nguyên công

Suface: Bề mặt

Part: Khối

Drawing: Bản vẽ

Select Object: Chọn đối tượng

Tool Path: Đường chuyển dao

Insert: Tra vào

NC Sequence: Chương trình chạy dao

Define: Xác định hướng về

Play Path: Đường chạy dao

Screen Play: Hiển thị mô hình khối

Defauld: Mặc định

G-Code: Mã lệnh của đường chạy dao

6

HỆ THỐNG DANH MỤC VÀ CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Các dạng dao phay chủ yếu 15

Hình 1 2 Một số loại dụng cụ cắt sử dụng trong gia công bề mặt không gian 16

Hình 1 3 Hình học tổng quát của dao 17

Hình 1 4 Các dạng dao phay ngón 18

Hình 1 5 Mô hình hình học tổng quát của phay ngón 19

Hình 1 6 Các lưỡi cắt xoắn vít trên dao 20

Hình 1 7 Lực của răng dao phay tác động lên chi tiết và sự tiếp xúc giữa bề mặt vít me với đai ốc 27

Hình 1 8 Điều khiển điểm - điểm 28

Hình 1 9 Điều khiển đường thẳng 29

Hình 1 10 Điều khiển theo contour 30

Hình 1 11 Vùng gia công khi phay 33

Hình 1 12 Sơ đồ các bước khi phay 35

Hình 1 13 Sơ đồ ăn dao vào chi tiết 36

Hình 1 14 Mô hình quá trình cắt khi phay 39

Hình 1 15 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi 41

Hình 1 16 Diện tích cắt thực của tiết diện kim loại bị cắt khi r  0 44

Hình 1 17 Diện tích cắt thực của tiết diện kim loại bị cắt khi r # 0 45

Hình 2 1 Một số loại dụng cụ cắt sử dụng trong gia công bề mặt không gian 51

Hình 2 2 Chiều cao nhấp nhô khi gia công bằng dao đầu cầu 52

Hình 2 3 Sơ đồ xác định chiều cao nhấp nhô khi gia công mặt cong lồi bằng dao đầu cầu 54

Hình 2 4 Sơ đồ khi gia công mặt cong lõm bằng dao đầu cầu 54

7

Hình 2 5 Chiều cao nhấp nhô khi cắt bằng dao phay trụ đầu phẳng 55

Hình 2 6 Gia công mặt cong bằng dao phay ngón đầu phẳng 55

Hình 2 7 Lượng dư gia công để lại khi gia công bằng dao phay ngón đầu phẳng 56 Hình 2 8 Dường dụng cụ song song 3D 59

Hình 2 9 Đường dụng cụ xoáy 3D 59

Hình 2 10 Một số kiểu đường dụng cụ 3D 60

Hình 2 11 Hướng tiến dao 60

Hình 2 12 Bước tiến ngang 61

Hình 2 13 Khoảng cách giữa các điểm nút 62

Hình 2 14 Chạy dao theo đường kiểu gạch mặt cắt 63

Hình 2 15 Chạy dao theo contour Hình 2 16 Gia công dao ăn theo trục Z 63

Hình 2 17 Sơ đồ tính đường tạo hình và sơ đồ tính hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng P 65

Hình 2 18 Hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng vuông góc với vec tơ tốc độ chạy dao tức thời 66

Hình 2 19 Chiều cao nhấp nhô để lại sau khi gia công 67

Hình 2 20 Chiều cao nhấp nhô để lại sau khi gia công 67

Hình 3 1 Chương trình khởi động phần mềm Rapidform 72

Hình 3 2 Nhập lưới điểm vào phần mềm 72

Hình 3 3 Tạo các mảng màu cho lưới điểm chi tiết 73

Hình 3 4 Đưa gốc tọa độ về điểm tâm chi tiết 74

Hình 3 5 Tạo không gian vùng tham chiếu biên dạng cánh 75

Hình 3 6 Hiển thị biên dạng chi tiết trên bề mặt tham chiếu 75

Hình 3 7 Tạo biên dạng chi tiết 76

8

Hình 3 8 Lựa chọn phương án hình thành chi tiết 76

Hình 3 9 Kết quả của lệnh Extrude – Up to Region 77

Hình 3 10 Sử dụng lệnh tạo bề mặt Mesh Fit 77

Hình 3 11 Kết quả của lệnh Mesh Fit 78

Hình 3 12 Thực hiện cắt khối chi tiết 78

Hình 3 13 Kết quả sau khi cắt khối chi tiết 79

Hình 3 14 Lựa chọn lệnh Fillet 79

Hình 3 15 Bo tròn các cạnh cần thiết của chi tiết 80

Hình 3 16 Tạo Sketch dùng cho việc cắt một mảnh chi tiết 80

Hình 3 17 Cắt chi tiết 81

Hình 3 18 Mảnh chi tiết sử dụng lập trình và gia công thực nghiệm 81

Hình 3 19 Giao diện phần mềm MasterCam X6 84

Hình 3 20 Nhập mô hình chi tiết vào phần mềm 84

Hình 3 21 Thiết lập máy, phôi và gốc phôi chuẩn bị lập trình gia công chi tiết 85

Hình 3 22 Thiết lập các thông số gia công thô chi tiết 86

Hình 3 23 Đường chạy dao gia công thô chi tiết 86

Hình 3 24 Kiểm tra đường dụng cụ gia công thô chi tiết 87

Hình 3 25 Thiết lập các thông số cắt tinh cho dao phay ngón đầu cầu 8 88

Hình 3 26 Kiểu đường chạy dao song song gia công chi tiết 89

Hình 3 27 Kiểm tra đường dụng cụ gia công tinh chi tiết với dao phay ngón đầu cầu Φ8 89

Hình 3 28 Các thông số lập trình gia công theo kiểu đường chạy dao gạch mặt cắt 91

Hình 3 29 Đường dụng cụ gia công chi tiết theo kiểu gạch mặt cắt 91

9

Hình 3 30 Kiểm tra đường dụng cụ gia công chi tiết theo đường chạy dao kiểu

gạch mặt cắt 92

Hình 3 31 Các mẫu chi tiết sau khi gia công 92

Hình 4 1 Đo vật thể bằng máy quét Laser ATOS 5M 95

Hình 4 2 Import mô hình chi tiết và dữ liệu lưới điểm 96

Hình 4 3 Mô hình chi tiết và lưới điểm được nhập vào phần mềm 96

Hình 4 4 Mẫu thí nghiệm 98

lý nhanh hơn và giá thành thấp hơn Tự động hóa sản xuất, mà phương thức cao nhất của nó là sản xuất linh hoạt Trong đó máy điều khiển số CNC đóng vai trò quan trọng nhất, sử dụng máy điều khiển số CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế đồng thời cũng rút ngắn được chu kỳ sản xuất

Chính vì vậy, ngành cơ khí chế tạo ở đa số các nước phát triển trên thế giới cũng như trong nước ta hiện nay đã đầu tư dây chuyền CNC ứng dụng vào sản xuất với hiệu quả kinh tế rất cao Vấn đề tài chính không còn là vấn đề đáng quan tâm của các doanh nghiệp khi đầu tư các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, ngay cả các doanh nghiệp loại vừa và nhỏ cũng đều có thể tự trang bị được

Với sự tận tình giúp đỡ và định hướng nghiên cứu của TS Bùi Ngọc Tuyên,

Tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu dao phay ngón và thực nghiệm gia công tạo

hình bằng dao phay ngón trên máy phay CNC 3 trục” Với mục tiêu đặt ra là

nghiên cứu dao phay ngón để gia công bề mặt không gian trên máy phay CNC

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu chủ yếu của đề tài là:

- Nghiên cứu về dao phay ngón

- Ngiên cứu về máy phay CNC

- Ứng dụng phần mềm Rapidform để thiết kế mẫu

- Ứng dụng MasterCam X6 để lập trình gia công các bề mặt lồi của khối cánh quạt để gia công trên máy phay CNC 3 trục

- Lựa chon được phương án kiểm tra và đánh giá chất lượng tạo hình bề mặt bằng phần mềm thiết kế ngược Rapidform

11

- Áp dụng trong giảng dạy của các trường Đại học và Cao đẳng kỹ thuật, trong thực tế sản xuất Qua đó nắm bắt được những sai sót có thể mắc phải trong thiết kế cũng như trong gia công chi tiết để đạt hiệu quả kỹ thuật cũng như kinh tế cao

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Ý nghĩa khoa học

- Ngày nay công nghệ CAD/CAM/CNC đang được ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất các sản phẩm cơ khí chất lượng cao, nhờ vào các công nghệ này mà chúng ta có thể sản xuất được những sản phẩm cơ khí chất lượng có tính kinh tế và kỹ thuật cao và đem lại hiệu quả kinh tế to lớn trong ngành cơ khí chế tạo

- Hiện tại, với cơ chế mở cửa thu hút các nhà đầu tư trong và ngoài nước, đặc biệt là các nhà đầu tư nước ngoài đã đem đến cho nền công nghiệp nước nhà một diện mạo mới

- Khi các nhà đầu tư nước ngoài vào nước nhà không chỉ đem đến một phương pháp quản lý hiện đại, mà cùng với đó là những thiết bị tối tân trợ giúp quá trình tạo ra sản phẩm một cách nhanh chóng, dễ dàng và chính xác nhất có thể Trong đó phần mềm CAD/CAM/CNC đóng một vai trò

vô cùng quan trọng trong khâu thiết kế, chế tạo, mô phỏng và kiểm tra chất lượng sản phẩm trước khi ứng dụng sản xuất hàng loạt

- Cùng với việc thành thạo trong sử dụng các phần mềm hỗ trợ thiết kế, chế tạo, mô phỏng, kiểm tra chất lượng sản phẩm trước khi đi vào sản xuất là việc tìm hiểu được những điểm mấu chốt, cốt lõi để làm chất lượng của chúng Qua đó có những hiểu biết cần thiết và tiến tới có thể cải tiến hơn nhằm phù hợp với sự phát triển không ngừng của khoa học

- Không có gì là bất biến, tri thức thì lại càng không Càng ngày kho tri thức càng khổng lồ them Vì vậy, những kiến thức nhân loại đang ứng dụng hôm nay chưa hẳn đã là dung tốt cho ngày mai Trong quá trình nghiên cứu, nếu còn thấy hay, thấy tốt thì còn dung được và làm sao để

- Từ kết quả nghiên cứu được ứng dụng nâng cao hiệu quả trong việc thiết

kế các chi tiết qua đó thể hiện hiệu quả kinh tế cũng như độ chính xác của các chi tiết sau khi gia công

- Nắm bắt được ưu, nhược điểm của phương pháp tạo hình bề mặt khi sử dụng dao phay ngón để từ đó có cái nhìn khách quan hơn cho tiến trình tạo ra sản phẩm, qua đó có những phương án tối ưu hóa thiết kế sao cho quá trình gia công ngắn nhất mà vẫn tạo ra được các sản phẩm với chất lượng tốt

 Các kết quả mang tính thực tiễn

- Thiết kế sản phẩm “ Khối cánh quạt”

- Thực nghiệm quá trình gia công mẫu có bề mặt phức tạp bằng dao phay

ngón trên máy phay CNC 3 trục

- Kiểm tra được độ chính xác gia công bề mặt không gian bằng phần mềm

thiết kế ngược Rapidform

13

TỔNG QUAN

Hiện nay , việc nghiên cứu một cách đầy đủ và ứng dụng trong các phần mềm CAD/CAM cũng như ứng dụng CAD/CAM vào thiết kế, chế tạo và kiểm tra sản phẩm còn khá hạn chế hoặc mang tính riêng rẽ Có những đề tài đi sâu vào nghiên cứu ứng dụng CAD/CAM trong thiết kế và chế tạo, có đề tài chỉ nghiên cứu

về kiểm tra bề mặt, có đề tài chỉ chuyên sâu vào lý thuyết cơ sở hình thành bề mặt

Tự do Vì vậy, trong khuôn khổ đề tài này sẽ nghiên cứu ” Nghiên cứu dao phay

ngón và thực nghiệm gia công tạo hình bằng dao phay ngón trên máy phay CNC

3 trục” Khi nghiên cứu tập trung vào một tiến trình sẽ gặp phải những vấn đề đó sẽ

làm rõ hơn tính xóa nhòa khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành

1 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và kết hợp với thực nghiệm để đưa ra kết luận khi gia công bề tạo hình bề mặt bằng dao phay ngón trên máy CNC 3 trục

2 Nội dung của luận văn

Trong đề tài này tác giả chủ yếu nghiên cứu và giải quyết những vấn đề sau:

Chương 1: Tổng quan về phay và dao phay

Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của thong số dụng cụ, đường dụng cụ đến

chất lượng tạo hình bề mặt không gian

Chương 3: Quy trình thiết kế và gia công chi tiết

Chương 4: Đánh giá kết quả thực nghiệm và kết luận

14

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ PHAY VÀ DAO PHAY

1.1 TỔNG QUAN VỀ PHAY VÀ DAO PHAY

1.1.1 Định nghĩa về phay

Phay là phương pháp gia công cắt gọt bằng dụng cụ cắt có lưỡi được dùng phổ biến trong gia công cắt gọt kim loại Quá trình cắt khi phay là không liên tục do dao phay thông thường có nhiều lưỡi nên quá trình cắt được tiến hành lần lượt theo từng lưỡi gây nên các va đập trong quá trình gia công

Độ chính xác đạt được bằng các phương pháp phay không cao hơn cấp 4  3 và chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt Ra = 3,2  0,2 (μm) Khi gia công mặt phẳng, phay

là phương pháp gia công có năng suất cao nhất Phay có khả năng thay thế hoàn toàn phương pháp bào trong sản xuất hàng loạt

1.1.2 Các dạng dao phay chủ yếu

Bằng phương pháp phay, người ta có thể gia công mặt phẳng, mặt định hình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, trục then hoa, cắt ren, bánh răng, …

Có rất nhiều các kiểu dao phay khác nhau (Hình 1.1)

- Dao phay trụ răng xoắn (Hình 1.1a)

- Dao phay mặt đầu (Hình 1.1b)

- Dao phay đĩa (Hình 1.1c)

- Dao phay đĩa để cắt đứt (Hình 1.1d)

- Dao phay ngón (Hình 1.1e)

- Dao phay góc (Hình 1.1g)

- Dao phay định hình (Hình 1.1h)

15

Hình 1 1 Các dạng dao phay chủ yếu

1.1.3 Dao phay ngón

1.1.3.1 Một số loại dao phay ngón điển hình

Trong đó, chúng ta thấy rằng với phương pháp phay các bề mặt không gian trên máy phay CNC là phương pháp phay 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 cầu: Có khả năng lấy đi lượng dư gia công lớn nhất trên

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 phay đầu cầu không tốt, vận tốc cắt biến thiên từ cực đại về 0 tại mũi dao, do đó tại vùng lân cận mũi dao vật liệu phôi không phải bị cắt gọt mà bị

d) Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn; e,f) Dao phay ngón định hình

Dao phay đầu phẳng: Có khả năng lấy đi lƣợng dƣ kém dao phay đầu cầu

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

1.1.3.2 Mô hình hóa dao phay ngón

Các hệ thống APT và CAD/CAM định nghĩa hình bao ngoài của dao phay ngón bằng 7 thông số hình học sau: D,R,Rr,Rz,,,h (hình 1.3)

Mô hình tham số tổng quát này có thể chi tiết hóa ra nhiều dạng dao phay ngón

17

mặt đầu và dạng xoắn vít thường dùng trong công nghiệp (hình 1.4) Bảy thông số hình học này hoàn toàn độc lập với nhau nhưng có những ràng buộc về hình học để tạo ra những mô hình toán phù hợp Một lưỡi cắt dạng xoắn vít bao lấy xung quanh phần bao ngoài của dao ( hình 1.5) Cơ chế cắt gọt yêu cầu cần có sự xác định rõ ràng về toạ độ, hình học lưỡi cắt cục bộ, tải trọng riêng cắt phoi và 3 thành phần lực cắt vi phân (dFa, dFr, dFt ) tại điểm cắt trên lưỡi cắt ( ví dụ như ở điểm P trên hình 3) Điểm P có cao độ Z, bán kính cực r(z) trong mặt phẳng toạ độ XY, góc nhúng dọc trục K(z) và góc trễ hướng tâm (z) Góc nhúng dọc trục là góc giữa trục dao và pháp tuyến của lưỡi cắt xoắn ốc ở điểm P ( hình 1.5)

Góc trễ hướng tâm là góc giữa đường nối điểm P tới mũi dao trong mặt phẳng

XY và tiếp tuyến với lưỡi cắt ở mũi dao Các toạ độ của điểm P được xác định bởi véctơ r(z) trong hệ toạ độ trụ

Hình bao của dao phay ngón được chia làm 3 vùng: (hình 1.3)

(1) r(z) =

tan

18

Hình 1 4 Các dạng dao phay ngón

Trong đó :

r(z) là bán kính của dao ở cao độ (z)

u là khoảng cách giữa mũi dao và giao điểm của đường thẳng NS với mặt phẳng XY

Một cung tròn có tâm C với offset hướng tâm là Rr có bán kính là R, tiếp tuyến

19

hoặc giao với các đường côn OL và LS tương ứng tại các điểm M,N ( hình 1) Các offset hướng tâm và hướng trục của các điểm M,N từ trục dao và mũi dao lần lượt được tính như sau:

Hình 1 5 Mô hình hình học tổng quát của phay ngón

21

1.1.3 Vật liệu làm dao

1.1.3.1 Các yêu cầu cơ bản

Muốn duy trì tính cắt một cách lâu dài vật liệu làm dao cần thỏa mãn một số yêu cầu sau đây:

b Độ bền nhiệt: Là khả năng giữ được độ cứng và các tính cắt khác ở nhiệt độ cao

trong thời gian dài

Khi cắt kim loại dao phải làm việc trong nhiệt độ rất cao (có thể đến 10000c)

Ở điều kiện nhiệt độ này vật liệu làm dụng cụ cắt có thể bị thay đổi về cấu trúc do chuyển biến pha làm cho tính năng cắt giảm xuống

Vì vậy có độ bền nhiệt cao là một trong những yêu cầu cơ bản nhất của vật liệu làm dụng cụ cắt

c.Độ bền cơ học:

Trong khi cắt kim loại dao thường phải chịu những lực và xung lực rất lớn, không chỉ ở phần cắt mà cả ở thân dao Thực tế nhiều loại dao bị gãy, vỡ trong quá

22

trình làm việc

Vì vậy vật liệu làm dao càng có độ bền cơ học cao thì tính năng sử dụng của

nó càng tốt

d Độ bền mòn: Là khả năng giữ được độ sắc và hình dạng của dao trong một thời

gian gia công dài

Dao làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và ma sát lớn làm cho dao dễ bị mài mòn Thông thường dao có độ cứng càng cao thì tính chống mài mòn càng tốt Tuy nhiên ở điều kiện nhiệt độ rất cao khi cắt (700-800) sẽ xuất hiện hiện tượng chảy dính

Thực tế cho thấy khi dao có đủ độ cứng, độ bền nhiệt, độ bền cơ học thì dạng háng chủ yếu của dao là mòn Vì vậy độ bền mòn cao là một yêu cầu quan trọng của vật liệu làm dao

e Độ dẫn nhiệt:

Độ dẫn nhiệt là một yêu cầu cao của vật liệu làm dao

Khi gia công dao phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao vì vậy nếu nhanh chóng dẫn nhiệt ra khái vùng cắt cũng cải thiện điều kiện làm việc của dao rất nhiều và tăng được tốc độ cắt nghĩa là tăng được năng xuất gia công

f Tính công nghệ cao: Là khả năng phù hợp với một hay nhiều phương pháp gia

công để chế tạo dao

Thực tế cho thấy một số vật liệu làm dao có tính cắt tốt nhưng không được

sử dụng rộng rãi vì tính công nghệ không cao

Kết luận: vật liệu làm dao không thể tháa mãn tất cả các yêu cầu trên Vấn

đề là ở chỗ tùy theo điều kiện gia công cụ thể ta phải chọn được vật liệu làm dao hợp lý

23

1.1.3.2 Các loại vật liệu làm dao

Để làm phần cắt của dụng cụ người ta có thể dùng các loại vật liệu khác nhau tùy thuộc tính chất cơ lý của vật liệu cần gia công và điều kiện sản xuất cụ thể

Do đó vật liệu làm dao phải có độ bền cao, tính chịu mài mòn ở tốc độ thấp

và tốc độ cao và phải có tính công nghệ cao để khi gia công chế đơn giản

Hiện nay có các loại vật liệu như sau :

- Tính chịu nóng thấp vì không được hợp kim hoá nên máctenxít của thép dễ

bị phân tích khi bị nung nóng làm cho độ cứng của dụng cụ giảm nhanh

- Dụng cụ cắt chế tạo từ thép các bon dụng cụ thường là : Y7, Y8, Y9, Y10, Y12, Y13, …

b Thép hợp kim dụng cụ

Là thép có hàm lượng các bon cao và hàm lượng một số nguyên tố hợp kim vào khoảng 0,5  3 %

- Dùng phổ biến là thép gió P9 và P18 Ngoài ra còn dùng P94 ; P162 ;

P9K5 ; P10K5 ;

- Khả năng cắt và tuổi bền khi làm việc ở tốc độ cao của thép P9 và P18 là tương đương nhau Khi làm việc ở tốc độ thấp thì nhân tố quyết định của dao là khả năng chịu mài mòn ở trạng thái nguội

Trong trường hợp này thì tuổi bền của dao P18 lớn gấp 2 lần tuổi bền của dao P9

Vì hàm lượng Vanađi cao hơn nên thép P9 cứng hơn P18 do vậy thép P9 khó mài hơn thép P18 Khi mài dao P9 dễ sinh ra hiện tượng cháy bề mặt do đó mà

Để làm giảm lượng W có trong thép thì có thể tăng hàm lượng Mo theo tỷ lệ

cứ 1% Mo thay thế 2% W, khi đó ta sẽ nhận được thép Mo

Tính năng cắt của 2 loại thép gió nền W và Mo là như nhau

Ngoài một số vật liệu kể trên, ngày nay còn sử dụng vật liệu gốm sứ để chế tạo dụng cụ cắt cho năng suất cao

1.1.4 Đặc điểm gia công cắt gọt bằng phay

- Do có một số lưỡi cắt cùng tham gia cắt nên năng suất cao hơn so với gia công bằng phương pháp tiện Lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng khối lượng thân dao lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt Do vậy dao lâu mòn hơn và có thể gia công trong điều kiện cắt gọt khó khăn

- Diện tích cắt khi phay thay đổi, do vậy lực cắt thay đổi gây ra rung động trong quá trình cắt

- Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khả năng tồn tại

- Ưu điểm: Chiều dày cắt thay đổi từ amax đến amnin, do đó ở thời điểm lưỡi cắt tiếp xúc với chi tiết gia công không xảy ra sự trượt, vì vậy dao đỡ mòn và tuổi bền của dao có thể được nâng cao Khi gia công, thành phần lực cắt Py có chiều cùng với chiều của lực kẹp chi tiết gia công nên tăng độ cứng vững của hệ thống

công nghệ, do đó giảm rung động khi phay (Hình 1.7a)

- Nhược điểm: Tại thời điểm đầu tiên khi dao chạm vào bề mặt chi tiết gia công thì chiều dày cắt a = amax nên xảy ra va đập đột ngột, răng dao dễ bị mẻ và rung động tăng lên Thành phần lực cắt ngang Py đẩy chi tiết theo chiều chuyển động chạy dao S nên sự tiếp xúc giữa bề mặt ren của vít me truyền lực và đai ốc

có thể không liên tục Điều này làm cho bàn máy chuyển động bị giật cục do đó sinh ra rung động

Nếu ta cắt với chiều dày cắt a thật mỏng thì lực va đập và thành phần Py nhỏ,

do đó ảnh hưởng rung động không đáng kể lắm Mặt khác, vì không có hiện tượng trượt giữa lưỡi cắt và bề mặt chi tiết, do đó tăng độ bóng bề mặt chi tiết gia công và tăng được tuổi thọ của dao

Trong thực tế, người ta dùng phương pháp phay này khi gia công tinh

27

1.1.5.2 Phay nghịch

- Định nghĩa: Phay nghịch là phương pháp phay trong đó véc tơ tốc độ cắt V của dao ở điểm tiếp xúc giữa dao và bề mặt đã gia công ngược chiều với chiều

chuyển động của bàn máy mang chi tiết gia công (Hình 1.7b)

- Ưu điểm: Thành phần lực Py có tác dụng khử khe hở giữa vít me và đai ốc

do đó giảm được đáng kể rung động

- Nhược điểm: Tại thời điểm lưỡi cắt bắt đầu tiếp xúc với chi tiết, chiều dày cắt a = 0 nên xảy ra sự trượt giữa lưỡi cắt và bề mặt gia công do đó giảm độ bóng

bề mặt và tuổi thọ của dao

Hình 1 7 Lực của răng dao phay tác động lên chi tiết và sự tiếp xúc giữa bề mặt vít

28

thường dùng phương pháp phay nghịch Do chiều dày cắt thay đổi từ amin đến

amaxnên dao không phải tiếp xúc với lớp vỏ cứng khi vào gia công nên dao tránh được sứt mẻ khi vào cắt Tuổi thọ của dao được cải thiện đáng kể

Trong thực tế, phay nghịch thường được dùng để gia công thô

1.2 CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC

1.2.1 Các dạng điều khiển của máy phay CNC

Cũng như các máy công cụ điều khiển số khác, máy phay CNC có khả năng gia công được các bề mặt khác nhau như các lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình v.v… Do

đó các dạng điều khiển của máy cũng được chia ra thành: điều khiển điểm - điểm, điều khiển theo đường thẳng và điều khiển theo contour (điều khiển biên)

1.2.1.1 Điều khiển điểm - điểm

Điều khiển điểm - điểm (hay điều khiển theo vị trí) được dùng để gia công các lỗ bằng phương pháp khoan, khoét, doa và cắt ren lỗ Chi tiết gia công được gá cố định trên bàn máy, dụng cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các điểm đã lập trình Trong hành trình này, dao không cắt vào chi tiết Khi đạt tới các điểm đích, quá

trình gia công được thực hiện theo chế độ cắt đã được lập trình (Hình 1.8)

Hình 1 8 Điều khiển điểm - điểm

29

1.2.1.2 Điều khiển đường thẳng

Điều khiển đường thẳng là dạng điều khiển thường được dùng khi gia công rãnh, mặt phẳng, mặt bậc … trong các nguyên công phay Quĩ đạo chuyển động của dao khi cắt gọt là một đường thẳng song song với một trong các trục toạ độ của máy

(Hình 1.9)

Hình 1 9 Điều khiển đường thẳng

1.2.1.3 Điều khiển biên dạng

Điều khiển theo biên dạng (theo contour) là dạng điều khiển nhờ các chuyển động nội suy đồng thời của các bàn trượt máy theo 2 hoặc nhiều trục và mối quan

hệ giữa các chuyển động của các trục này là một hàm số trong mặt phẳng hoặc có thể trong không gian

Tuỳ theo số trục được điều khiển đồng thời khi gia công người ta phân biệt: điều

khiển contour 2D, điều khiển contour 2 1/2D và điều khiển contour 3D (Hình 1.10)

30

Hình 1 10 Điều khiển theo contour

a Điều khiển contour 2D

Điều khiển contour 2D cho phép thực hiện nội suy chạy dao theo hai trục đồng thời trong một mặt phẳng gia công

Ví dụ: Trong mặt phẳng XY (Hình 1.10a), trục thứ ba Z đƣợc cố định Có thể

hiểu rõ hơn khi trên máy phay CNC có 3 trục: 2 trục đƣợc sử dụng để phay contour

(Hình 1.10a), còn trục thứ ba Z đƣợc cố định

b Điều khiển contour 2 1/2D

Điều khiển contour 2 1/2D cho phép nội suy lƣợng chạy dao đồng thời theo 2 trục nào đó để gia công bề mặt trong một mặt phẳng nhất định Trên máy phay CNC

có 3 trục X, Y, Z ta sẽ điều khiển đƣợc đồng thời X, Y (Hình 1.10b) Trên các máy phay CNC điều này có nghĩa là chiều sâu cắt có thể đƣợc thực hiện theo bất kỳ một trục nào đó trong 3 trục, còn 2 trục kia để phay contour Nhƣ vậy vai trò của các trục có thể đƣợc hoán đổi cho nhau

c Điều khiển contour 3D

Điều khiển contour 3D cho phép nội suy đồng thời chạy dao theo cả 3 trục X, Y,

1.2.2 Qui trình công nghệ gia công trên máy phay CNC

Qui trình công nghệ gia công trên máy phay CNC được chia ra các bước, nhưng các bước ở đây lại phải chia ra các lớp cắt và mỗi lớp cắt được thực hiện sau mỗi quĩ đạo dịch chuyển của dụng cụ cắt

Chương trình điều khiển là tập hợp tất cả các lệnh dịch chuyển và các điều khiển công nghệ do bộ điều khiển của máy cung cấp

Lập chương trình điều khiển cho máy phay CNC theo kết cấu công nghệ và theo điều kiện sản xuất

Chọn phôi, qui trình công nghệ, dụng cụ cắt, đồ gá và cấu trúc các nguyên công Thiết kế qui trình công nghệ gia công chi tiết trên máy CNC bao gồm 3 giai đoạn sau đây:

1.2.2.1 Lập tiến trình công nghệ

Nhiệm vụ của lập tiến trình công nghệ gồm:

- Đánh giá khả năng gia công chi tiết trên máy CNC theo kết cấu công nghệ và theo điều kiện sản xuất

- Chọn phôi, qui trình công nghệ, dụng cụ cắt, đồ gá và cấu trúc các nguyên công

- Nghiên cứu tính công nghệ của chi tiết và tiêu chuẩn hoá các thông số như chuẩn kích thước hoặc bán kính

- Xác định yêu cầu về lượng dư và các kích thước chính đối với các mặt chuẩn

- Lập tiến trình gia công chi tiết (phân các bề mặt theo loại để chọn máy gia công )

- Tính toán và lựa chọn phương pháp gá đặt, đồ gá cần thiết

32

- Xác định dụng cụ cắt và chọn chúng theo từng loại

1.2.2.2 Thiết kế nguyên công

Nhiệm vụ của thiết kế nguyên công gồm:

- Xác định nội dung nguyên công, chia nguyên công ra các bước và các vị trí, cụ thể hoá phương pháp kẹp chi tiết

- Chia ra các lớp cắt, chọn dụng cụ cắt, chuẩn bị phương pháp điều chỉnh máy

và điều chỉnh dao

1.2.2.3 Lập trình gia công

Lập trình gia công gồm các nội dung sau:

- Tính toán các quĩ đạo chuyển động của dao sau khi xác định toạ độ của các điểm

- Lập trình và ghi vào bộ nhớ của bộ điều khiển máy

- Kiểm tra chương trình, sửa lỗi chương trình, chạy thử và gia công thử chi tiết

1.2.3 Phương pháp thực hiện nguyên công phay trên máy phay CNC

1.2.3.1 Vùng gia công

Vùng gia công khi phay được chia ra như sau:

- Vùng gia công hở (Hình 1.11a, b, c) Đối với vùng gia công hở thì dao không

bị hạn chế khi dịch chuyển dọc theo trục của nó hoặc trong mặt phẳng vuông góc với trục dao

- Vùng gia công nửa hở (Hình 1.11d) Đối với vùng gia công này thì dao bị hạn chế khi dịch chuyển dọc hoặc trong mặt phẳng vuông góc với trục dao của nó

- Vùng gia công kín (Hình 1.11c) Trong trường hợp này thì dao bị hạn chế theo

tất cả các phương khi nó dịch chuyển

33

Hình 1 11 Vùng gia công khi phay

- Vùng gia công tổ hợp (Hình 1.6f) Vùng gia công được tạo thành từ các vùng gia công trên

1.2.3.2 Lượng dư phay

Lượng dư phay có thể xác định theo bảng hoặc bằng phương pháp tính toán Khi xác định lượng dư gia công tinh cần tính đến qui luật cắt khi phay

1.2.3.3 Sơ đồ các bước khi phay

a Quĩ đạo của dao

Khi thực hiện nguyên công phay trên máy phay CNC người ta có thể áp dụng các

phương pháp dịch chuyển của dao sau đây (Hình 1.12)

Dao dịch chuyển theo quĩ đạo Ziczăc (Hình 1.12a, b, c) Hiện nay sơ đồ này đang

34

được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, cách dịch chuyển có nhược điểm chính là tính chất của quá trình phay thay đổi (lúc phay thuân, lúc phay nghịch) dẫn đến lực cắt thay đổi ảnh hưởng xấu đến độ chính xác và chất lượng bề mặt

Sơ đồ chạy dao Ziczăc có 3 loại:

- Không ăn dao dọc theo contour (Hình 1.12a)

- Ăn dao dọc theo contour chi tiết (Hình 1.12b)

- Bước đầu tiên là ăn dao sơ bộ dọc theo contour chi tiết (Hình 1.12c) Sơ

đồ trên Hình 1.12c tạo điều kiện thuận lợi cho việc ăn dao ở phía cuối của mỗi

bước

Dao dịch chuyển theo quĩ đạo dạng lò xo (Hình 1.12d, e) Theo sơ đồ này thì dao

có quĩ đạo chuyển động đường vòng từ trong ra ngoài (Hình 1.12d) hoặc từ ngoài vào trong (Hình 1.12e) Quĩ đạo chuyển động của dao theo dạng lò xo có ưu điểm là

bản chất của quá trình phay không thay đổi (luôn luôn là phay thuận hay phay nghịch), do đó quá trình cắt ổn định

Dao dịch chuyển theo quĩ đạo răng lược (Hình 1.12f, g, h) Theo phương pháp

dịch chuyển này thì bản chất của quá trình phay cũng thay đổi Sau mỗi lần ăn dao (theo chiều các mũi tên đậm) dao lùi xa khỏi mặt gia công một đoạn rồi chạy nhanh

về vị trí xuất phát ban đầu để thực hiện các bước cắt tiếp theo

b Khoảng cách giữa hai bước kề nhau

Khoảng cách giữa hai bước kề nhau chính là chiều sâu cắt khi phay Khoảng cách giữa hai bước kề nhau lớn nhất tmax được tính theo công thức sau đây (Hình 1.12e)

35

Hình 1 12 Sơ đồ các bước khi phay

36

c Phương pháp ăn dao vào chi tiết (Hình 1.13)

Phương pháp ăn dao đơn giản nhất là ăn dao theo phương dọc trục của lỗ đã

khoan sẵn (Hình 1.13a)

Hình 1 13 Sơ đồ ăn dao vào chi tiết

Trong trường hợp gia công tinh thì quĩ đạo ăn dao được thực hiện theo cung tròn tiếp tuyến với biên dạng chi tiết tại điểm mà ở đó dao bắt đầu chuyển động cắt theo

contour (Hình 1.8b) Phương pháp này có ưư điểm là lực cắt thay đổi từ từ, giảm

được sai số gia công và thuận lợi cho việc hiệu chỉnh bán kính dao khi lập trình

1.2.3.4 Chọn chế độ cắt khi phay

Chọn chế độ cắt khi phay trên máy CNC cũng được tiến hành theo các bước như chọn chế độ cắt khi phay trên các máy vạn năng, nghĩa là phải chọn chiều sâu cắt t, lượng chạy dao Sz, Sphút và tốc độ cắt V Tuy nhiên đối với các máy phay CNC cần chú ý khi chọn lượng chạy dao răng Sz Lượng chạy dao Sz được chọn với giá trị

Smin từ 4 giá trị Sz

Sz = min (Sz1, Sz2, Sz3, Sz4) (1.2) Trong đó:

Sz1 - Lượng chạy dao được xác định theo độ nhám bề mặt, phụ thuộc vào lượng dư với chiều sâu cắt t và bề rộng phay B

Sz2 - Lượng chạy dao được xác định phụ thuộc vào biến dạng cho phép của

37

dao [] (phụ thuộc vào đường kính dao D và chiều dài phần cắt 1)

Sz3 - Lượng chạy dao được xác định xuất phát từ độ bền của dao

Sz4 - Lượng chạy dao cho phép được xác định xuất phát từ công suất động

cơ của máy phay

1.3 MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY

Mô hình tổng quát của quá trình phay được mô tả như sau: (Hình 1.14)

1.3.1 Phân tích các nhân tố có trong mô hình

1.3.1.1 Các thông số đầu vào

Các thông số đầu vào của quá trình phay như: Máy, phôi, chế độ cắt, dụng cụ gia công, phương pháp gia công, dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng quyết định đến chi phí gia công và chất lượng bề mặt, độ chính xác của chi tiết gia công

Ứng với điều kiện gia công cụ thể thì chế độ cắt là thông số đầu vào duy nhất thay đổi, các thông số còn lại thường không thay đổi

1.3.1.2 Các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt khi phay

Các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt khi phay bao gồm: Lực cắt, nhiệt cắt, mòn dao, rung động Các đại lượng này chịu ảnh hưởng của các thông số đầu vào có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau trong quá trình cắt và ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số đầu ra là chất lượng và chi phí gia công Chính vì vậy các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong quá trình phay luôn là mục tiêu của nhiều công trình nghiên cứu

1.3.1.3 Các thông số đầu ra

a Chi phí gia công và năng suất gia công

Chi phí gia công hoặc năng suất gia công thường được chọn là hàm mục tiêu để nghiên cứu tối ưu hoá nguyên công Đối với nguyên công phay người ta thường chọn hàm chi phí gia công K = f(V, Sz, B, t) làm hàm mục tiêu để giải bài toán xác định chế độ

38

cắt tối ƣu trên cơ sở các chỉ tiêu chất lƣợng nguyên công làm điều kiện ràng buộc

b Chất lượng gia công

Chất lƣợng gia công là một trong các yếu tố cơ bản cần phải đạt đƣợc của tất các quá trình gia công Chất lƣợng gia công là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của chi tiết gia công

Khi nghiên cứu tối ƣu hoá quá trình cắt gọt thì chất lƣợng gia công đƣợc coi là các điều kiện bắt buộc của bài toán Chất lƣợng gia công gồm nhiều chỉ tiếu đánh

giá khác nhau (Hình 1.14)

39

Hình 1 14 Mô hình quá trình cắt khi phay

- Nhiệt cắt: Là đại lượng đặc trưng luôn luôn xuất hiện trong quá trình cắt gọt nói chung và phay nói riêng Nhiệt cắt có ảnh hưởng đến độ mòn và tuổi bền của dụng cụ gia công, chất lượng bề mặt gia công

→ Các nguyên nhân sản sinh ra nhiệt cắt là: Hiện tượng nội ma sát xuất hiện trong quá trình biến dạng của vật liệu gia công, ma sát giữa phoi với mặt trước của dụng cụ gia công và ma sát giữa mặt sau của dao với bề mặt chi tiết gia công

- Rung động: Trong quá trình gia công rung động là một đại lượng rất khó xác định Rung động có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt, độ chính xác gia công, độ bền của dao và năng suất gia công Rung động được chia làm hai loại: Rung động cưỡng bức và tự rung

- Độ nhám bề mặt: Là một trong các chỉ tiêu quan trọng dùng để đánh giá chất lượng nguyên công

- Độ mòn dao: Độ mòn dao ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công

Trong khuôn khổ nhiệm vụ được giao luận văn chỉ đề cập tới hai đại lượng là

độ nhám bề mặt và độ mòn dao, chúng ta sẽ đi sâu phân tích các đại lượng này

1.3.2.1 Độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi)

 Định nghĩa: Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ cắt tác động vào bề mặt gia công tạo thành phoi đồng thời hình thành những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia