Mô hình hóa gia công bề mặt cong trên máy phay CNC 3 trục bằng dao phay đầu cầu

Với nguyên công phay tinh chi tiết gia công đạt được độ bóng, độ chính xác hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố kĩ thuật như: loại dụng cụ cắt, cách gá dao, chế độ cắt, vật liệu dao và p

Tiếp theo Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa

Hà Nội, Viện đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí và bộ môn Chế tạo Máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này

Sau hết Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC C C BẢNG SỐ LI U 7

DANH MỤC C C KÝ HI U, C C CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC C C H NH V - ĐỒ TH - ẢNH CHỤP 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 11

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 11

2.1 Ý nghĩa khoa học 11

2.2 Ý nghĩa thực tiễn 11

3 Phương pháp nghiên cứu 12

4 Nội dung nghiên cứu 12

CHƯƠNG T NG QUAN VỀ GIA C NG TINH BỀ M T H NH H C PH C T P TRONG K THU T 13

1.1 Giới thiệu quá trình gia công tinh các bề mặt phức tạp 13

1.1.1 Các thông số kỹ thuật cần thiết 13

1.1.2 Đặc điểm quá trình phay tinh các bề mặt phức tạp 24

* Vận tốc cắt khi phay 24

* Lực cắt khi phay 25

1.2 Một số đặc điểm bề mặt chi tiết sau khi gia công 26

* Kết luận 30

CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ T O H NH BỀ M T CHI TIẾT GIA CÔNG BẰNG DAO PHAY ĐẦU CẦU 32

4

2.1 Mô hình hình học bề mặt chi tiết gia công 32

2.2 Mối quan hệ hình học giữa profin của dao và phôi 33

* Phương trình hình học cơ bản 36

2.3 Mô hình lực cắt khi phay 37

* Xác định các ràng buộc của dụng cụ cắt: 39

* Thoát dao 41

* Vận tốc cắt 41

* Kết luận 42

CHƯƠNG 3: C C YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ M T CHI TIẾT KHI PHAY TINH 43

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi phay tinh bằng dao phay đầu cầu 43

3.1.1 Ảnh hưởng của điều kiện cắt 43

3.1.2 Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt : 43

3.1.3 Điều kiện cắt ảnh hưởng đến nhiệt cắt [2]: 43

3.1.4 Ảnh hưởng của kiểu thoát dao 44

3.1.5 Ảnh hưởng của tì dao lên bề mặt gia công 45

3.1.6 Ảnh hưởng của góc nghiêng giữa dao và phôi 45

3.2 Giải pháp tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt khi phay tinh bằng dao phay đầu cầu 46

3.2.1 Chọn thông số gá đặt tối ưu để tránh cắt ở đỉnh dao 46

3.2.2 Khảo sát sự thay đổi phương chiều của các véc tơ pháp tuyến so với trục thẳng đứng (trục của dao phay): 47

5

3.2.3 Chọn kích thước dụng cụ tối ưu để tạo hình bề mặt của chi tiết gia công

49

* Kết luận 50

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIÊ M PHAY TINH BỀ M T THEO C C KẾT QUẢ NGHIÊN C U 52

4.1 Điều kiện thực nghiệm 52

* Máy công cụ CNC 52

* Dụng cụ cắt 53

4.2 NG DỤNG CREO 3.0 TRONG M H NH HÓA VÀ T O H NH BỀ M T TỰ DO 58

4.2.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CREO 3.0 58

4.2.2 CHỨC NĂNG MÔ HÌNH HÓA BỀ MẶT TRONG CREO 3.0 59

4.2.2.1 Các lựa chọn khi tạo mô hình bề mặt 59

4.2.2.2 Các thao tác trên bề mặt 61

4.2.2.3 Các tùy chọn bề mặt cao cấp 61

4.3 CHỨC NĂNG LẬP TRÌNH GIA CÔNG PHAY TRONG CREO 3.0 62

4.3.1 Các khái niệm 62

4.3.2 Các bước lập trình gia công trong Creo 3.0 62

4.3.3 Các lựa chọn phương pháp gia công và thông số công nghệ 63

4.4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẪU THỰC NGHIỆM BỀ MẶT TỰ DO 70

4.5 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 73

4.5.1 Điều kiện thực nghiệm 73

4.5.2 Thực nghiệm gia công mẫu 74

6

4.6 KIỂM TRA Đ NH GI CHẤT LƯỢNG T O H NH 85

4.6.1 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NGƯỢC TRONG ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HÌNH DÁNG HÌNH HỌC (RE) 85

4.6.1.1 Giới thiệu về kỹ thuật ngược (RE) 85

4.6.1.2 Phần mềm Geomagic 87

4.6.1.3 Ứng dụng kỹ thuật ngược (RE) và phần mềm Geomagic trong việc kiểm tra độ chính xác hình học mẫu thực nghiệm 89

4.7 KIỂM TRA Đ NH GI ĐỘ NH M 100

4.7.1 Nhám bề mặt 100

4.7.2 Chỉ tiêu đánh giá độ nhám 101

4.7.3 Kiểm tra đánh giá độ nhám mẫu thực nghiệm 103

KẾT LU N CHƯƠNG 4 106

KẾT LU N VÀ KIẾN NGH 107

* Kết luận: 107

* Kiến nghị: 107

TÀI LI U THAM KHẢO 109

Tiếng Việt: 109

Tiếng Anh 109

7

DANH MỤC C C BẢNG SỐ LI U

Bảng 4 1 Thông số máy phay DMC1035V 73

Bảng 4 2: Thành phần hóa học vật liệu mẫu – nhôm hợp kim 7075 74

Bảng 4 3: Thời gian gia công các mẫu thực nghiệm 84

Bang 4 4 Thông số kỹ thuật cánh tay robot 91

Bang 4 5 Thông số kỹ thuật của đầu quét 3D 91

Bang 4 6 Tổng hợp kết quả đánh giá về độ chính xác hình dáng hình học 100

Bang 4 7 Kết quả đo độ nhám mẫu thực nghiệm 105

DANH MỤC CÁC KÝ HI U, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

máy tính

máy tính

trình số

nhựa

design

Thiết kế cơ khí với sự trợ giúp của máy tính

dập

8

DANH MỤC C C H NH V - ĐỒ TH - ẢNH CHỤP

Hình 1 1 - Hệ tọa độ máy phay CNC 3 trục 14

Hình 1 2 - Sơ đồ mặt phẳng tiếp xúc và véc tơ pháp tuyến 15

Hình 1 3 a) Không gian Đềcác Hình 1.3 b) Không gian tham số 16

Hình 1 4 - Khoảng cách giữa hai điểm trên mặt cong 17

Hình 1 5 Độ cong của bề mặt 18

Hình 1 6 – Các điểm dị biệt trên bề mặt gia công 19

Hình 1 7 a): Hình học của dao phay đầu cầu 21

Hình 1 8 Thông số hình học của lưỡi cắt 23

Hình 1 9 Thông số tính toán vận tốc cắt của dao phay cầu 24

Hình 1 10 Các thành phần của lực cắt 25

Hình 1 11 Lưỡi cắt thành phần 26

Hình 1 12 Một số điểm đặc biệt trên chi tiết 27

Hình 1 13 Thay đổi kích thước và thông số kết cấu của dụng cụ 28

Hình 1 14 Độ nhấp nhô bề mặt chi tiết 28

Hình 1 15 Độ nhấp nhô bề mặt chi tiết 28

Hình 1 16 Sự hình thành bề mặt khi gia công bằng dao phay cầu 29

Hình 2 1 Các thông số hình học của quá trình phay tinh 34

Hình 2 3.Kiểu chạy dao theo biên dạng chi tiết 37

Hình 2 4.Kiểu chạy dao theo phương ngang 37

Hình 2 5 38

Hình 2 6 39

Hình 2 7 Các ràng buộc của dụng cụ cắt 39

Hình 3 1 Phương thức chuyển dao khi phay mặt phẳng bằng dao phay đầu cầu 47

Hình 4 1 Các điểm gốc và điểm chuẩn của máy phay CNC 52

Hình 4 2 Hình dạng - kích thước chế tạo của dao phay cầu kiểu 1 ký kiệu BZD25G hãng Missubishi - Nhật Bản [7] 54

Hình 4 3 Hình dạng - kích thước chế tạo của dao phay cầu kiểu 1 ký kiệu BLG2000SF hãng Sumitomo - Nhật Bản [7] 54

Hình 4 4 Hình dạng - kích thước chế tạo của dao chỉ có lưỡi cắt trên phần cầu ký hiệu BNBP 2 R của hãng SUMITOMO - Nhật Bản [7] 55

Hình 4 5 Hình dạng - kích thước chế tạo của thân dao ký hiệu SRFHSMW, SRFHSLW và mảnh ghép ký hiệu SRFT vật liệu VP10MF, VP15TF của dao một mảnh cắt hãng Mitssubishi - Nhật Bản [7] 56

Hình 4 6 Hình dạng - kích thước chế tạo của thân dao ký hiệu TRM4 và mảnh ghép ký hiệu

9

UPE45,UPE50, UPM40, UPM50, UPM50P0, UPM40P1, UPM50P1 57

Hình 4 7 Điểm chuẩn của dao phay đầu cầu 57

Hình 4 8 Mô hình kéo 60

Hình 4 9 Mô hình quay 60

Hình 4 10 Mô hình kéo theo đường dẫn 60

Hình 4 11 Thanh công cụ lập trình gia công chính trong Creo 63

Hình 4 12 Màn hình sau khi khởi động của Creo Parametric 3.0 70

Hình 4 13 Thiết lập định dạng bản vẽ 70

Hình 4 14 Thiết lập đơn vị cho bản vẽ 71

Hình 4 15 Sketch – Đường dẫn cho bề mặt cần dựng 71

Hình 4 16 Sử dụng lệnh Boundary Blend để dựng hình 72

Hình 4 17 Bề mặt tự do 72

Hình 4 18 Máy phay DMC1035V- Trường CĐN Công nghiệp Hải Phòng 73

Hình 4 19 Chế độ gia công thô 75

Hình 4 20 Nhập chi tiết vào môi trường gia công 76

Hình 4 21 Thiết lập máy và phôi 76

Hình 4 22 Thiết lập các thông số công nghệ gia công thô chi tiết 77

Hình 4 23 77

Hình 4 24 Mô phỏng đường chạy dao gia công thô 78

Hình 4 25 Bề mặt gia công sau khi phay thô 78

Hình 4 26 Chế độ gia công bán tinh 79

Hình 4 27 80

Hình 4 28 80

Hình 4 29 Chế độ gia công bán tinh 81

Hình 4 30 82

Hình 4 31 82

Hình 4 32 Quá trình phay tinh 83

Hình 4 33 Bề mặt gia công sau khi phay tinh 83

Hình 4 34 84

Hình 4 35 Biên dạng mẫu được thiết kế bằng phần mềm PTC Creo 3.0 89

Hình 4 36 Cánh tay robot 7 bậc tự do 90

Hình 4 37 Đầu quét 3D MMDx100 91

Hình 4 38 Kết quả hiệu chuẩn máy 92

Hình 4 39 hình dáng hình học của bề mặt nghiên cứu 93

Hình 4 40 Độ chính xác định vị của phần mềm Geomegic 94

Hình 4 41 Cây thư mục trong giao diện phầm mềm xử kiểm tra 94

Hình 4 42 Dữ liệu quét và dữ liệu CAD ở vị trí tương đối trước khi định vị 95

10

Hình 4 43 Định vị dữ liệu quét và dữ liệu CAD 95

Hình 4 44 Các loại nhấp nhô bề mặt 100

Hình 4 45 Đường trung bình 101

Hình 4 46 Các đại lượng liên quan tới độ nhám 101

Hình 4 47 Các vị trí được đo độ nhám 103

11

PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Các sản phẩm trong ngành cơ khí có rất nhiều kiểu biên dạng và hình dáng hình học khác nhau như: mặt phẳng, mặt tròn xoay, mặt nón, bề mặt có hình dáng hình học phức tạp Để chất lượng bề mặt chi tiết đạt yêu cầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật của quá trình gia công chi tiết đó Khi gia công mặt phẳng, mặt tròn xoay có thể đạt độ bóng,

độ chính xác yêu cầu bằng gia công tinh (tiện, phay, mài,đánh bóng…), còn các bề mặt

có hình dáng hình học phức tạp ứng dụng nhiều trong thực tế như khuôn mẫu, hay các chi tiết phức tạp khó mài tinh thường sử dụng nguyên công phay bằng dao phay đầu cầu trên máy công cụ CNC Với nguyên công phay tinh chi tiết gia công đạt được độ bóng, độ chính xác hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố kĩ thuật như: loại dụng cụ cắt, cách gá dao, chế độ cắt, vật liệu dao và phôi… Khi phay tinh các bề mặt hình dáng hình học phức tạp đó thường sử dụng dao phay đầu cầu, gá dao sao cho phương đường tâm dao không đổi so với phương biên dạng cần cắt, vận tốc cắt có phương thay đổi ngẫu nhiên trên bề mặt, lực cắt có phương và các thành phần của lực cắt thay đổi, đồng thời chiều dày lớp cắt cũng thay đổi Do vậy làm cho quá trình cắt gọt với lực cắt không đều, bị rung động, gây trượt trên bề mặt, lực ma sát thay đổi làm cho độ bóng không đồng đều trên bề mặt chi tiết

Vì vậy nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ bóng, độ chính xác bề mặt

để tối ưu hóa một số yếu tố kỹ thuật của quá trình phay tinh nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết, tăng hiệu quả kinh tế của các chi tiết đó

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

12

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Khảo sát bề mặt chi tiết để biết được thông số hình học: mô hình mặt, các điểm đặc biệt của bề mặt, dạng bề mặt làm cơ sở xác định biến thiên véc tơ pháp tuyến trên bề mặt chi tiết

Khảo sát hình học của dụng cụ cắt: dạng lưỡi cắt, bán kính cong tại các điểm trên lưỡi cắt làm cơ sở để chọn dao phay phù hợp nhằm nâng cao chất lượng bề mặt Từ đó nghiên cứu mối quan hệ hình học của cặp biên dạng dao- phôi để xác định góc gá đặt tối

ưu

Nghiên cứu thử nghiệm: Thử nghiệm gia công chi tiết trên máy phay CNC, với phôi Nhôm 7075, dụng cụ cắt là dao phay cầu phủ TiAlN hai lưỡi cắt ký hiệu VP15TF của hãng Mitsubishi -Nhật Bản và sử dụng các kết quả của phần nghiên cứu lí thuyết

4 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung cụ thể cần nghiên cứu:

a Khảo sát và mô hình hóa bề mặt chi tiết gia công

b Khảo sát và mô hình hóa pháp tuyến của bề mặt chi tiết gia công

c Tính toán, thiết kế kích thước dụng cụ cắt

d Thử nghiệm

Thực nghiệm phay tinh chi tiết có bề mặt phức 3D và sử dụng kết quả của phần nghiên cứu lí thuyết

13

CHƯƠNG T NG QUAN VỀ GIA C NG TINH BỀ M T H NH H C

PH C T P TRONG K THU T

Giới thiệu quá trình gia công tinh các bề mặt phức tạp

Trong ngành chế tạo máy, việc chế tạo các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp (chi tiết khuôn, mẫu, các chi tiết trong ngành hàng không, giao thông vận tải .), được làm bằng vật liệu khó gia công như thép hợp kim có độ bền cao, thép chịu nhiệt, thép không gỉ, thép đã tôi đã và đang phát triển mạnh mẽ Để gia công các chi tiết đó đạt độ chính xác về hình dáng hình học, cơ lý tính bề mặt và độ bóng bề mặt có nhiều phương pháp gia công để lựa chọn vì hiện nay ngành cơ khí chế tạo máy có rất nhiều loại máy công cụ, nhiều kiểu dụng cụ cắt, nhiều loại vật liệu phù hợp và kết hợp với công nghệ hiện đại như công nghệ CAD/CAM Việc gia công những bề mặt chi tiết phức tạp này có một số phương pháp như: Gia công bằng điện hoá, gia công bằng siêu âm, gia công bằng tia lửa điện Những phương pháp gia công này cần nguồn đầu tư lớn, năng suất gia công thấp dẫn đến giá thành của chi tiết gia công cao Bên cạnh đó, sự xuất hiện và khả năng ứng dụng của các máy công cụ CNC ngày càng được khẳng định, đó là khả năng gia công với độ chính xác yêu cầu, năng suất cao và giá thành hạ, cụ thể gia công các chi tiết đó trên máy phay CNC bằng nguyên công gia công tinh

1.1.1 Các thông số kỹ thuật cần thiết

Khi gia công chi tiết trên máy phay CNC cần cung cấp các chuyển động cần thiết để tạo hình bề mặt đó là: Chuyển động quay của dao tạo tốc độ cắt chính, và chuyển động tịnh tiến của phôi Do đó, các điểm tham gia cắt gọt của dao là các điểm tiếp xúc giữa lưỡi cắt và bề mặt phôi, và các điểm tiếp xúc này thay đổi vị trí phức tạp phụ thuộc vào mối quan hệ hình học của lưỡi cắt và bề mặt chi tiết Điều này quyết định lớn đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công

Hệ trục tọa độ và vị trí của dao, chi tiết gia công khi cắt gọt trên các máy phay CNC như hình vẽ:

14

Hình 1 1 - Hệ tọa độ máy phay CNC 3 trục

Do đó để phay tinh chi tiết đạt chất lượng bề mặt cần xác định chính xác về biên dạng và thông số hình học của phôi và dao, vật liệu và phương pháp nhiệt luyện của chi tiết để lựa chọn phương pháp gia công, kiểu dao tối ưu, chế độ cắt tối ưu Như vậy, việc nghiên cứu về hình dáng hình học của chi tiết cần gia công tinh và hình học của dụng cụ cắt phải chính xác, các bước gia công thô và bán tinh trước đó cần chọn lựa chế độ cắt phù hợp để không ảnh hưởng đến bước gia công tinh là cần thiết

1.1.1.1 Các thông số hình học của bề mặt chi tiết gia công

Bề mặt hình học phức tạp của chi tiết gia công trong thực tế được mô tả bằng toán học với các dạng chủ yếu sau:

15

Phương trình mặt cong có thể cho bởi một trong các dạng sau:

Tọa độ cong trên mặt cong: Nếu mặt cong cho dưới dạng tham số hay véc tơ, thì khi

cố định giá trị của một tham số v = v0 và cho tham số kia (u) biến thiên thì điểm r(x,y,z)

đổi khác nhau: v = v1; v = v2; thì chúng ta nhận được một họ đường cong trên mặt cong, bởi vì v = const nên đi dọc theo đường cong ấy mỗi u thay đổi, do đó những đường cong ấy được gọi những đường u

Tương tự điểm P(u0,v) vạch nên một đường cong khác; khi cho u những giá trị không đổi khác nhau: u = u1, u = u2, ta nhận được một họ đường v (u = const)

Do đó có một lưới đường cong được lập trên mặt cong, đó là các đường tọa độ, còn hai số u = ui và v = vk là các tọa độ cong hay tọa độ Gauxơ của điểm M trên mặt cong

Mặt phẳng tiếp xúc và pháp tuyến:

Nếu qua một điểm cho trước P(x, y, z) của mặt cong, vạch tất cả các đường cong có thể được trên mặt cong, thì các tiếp tuyến của chúng tại điểm P sẽ nằm trên cùng mặt

phẳng, đó là mặt phẳng tiếp xúc với mặt cong tại điểm P (trừ những điểm cônic của mặt

cong) Đường thẳng đi qua P và vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc gọi là pháp tuyến với

và

là hai véc

tơ tiếp tuyến với điểm P theo đường cong u và đường cong v

Hình 1 2 - Sơ đồ mặt phẳng tiếp xúc và véc tơ pháp tuyến

Véc tơ tiếp tuyến tại điểm P

P u

P v Q n

16

với umin≤ u ≤ umax , vmin≤ v ≤ vmax

Trong đó: i, j, k lần lượt là các véc tơ đơn vị trên các trục x, y, y của hệ tọa độ Đềcác

Pu, Pv lần lượt là các véc tơ tiếp tuyến dọc theo các đường cong tọa độ u, v

Véc tơ pháp tuyến bề mặt tại điểm P là véc tơ vuông góc với hai véc tơ tiếp tuyến

tại điểm khảo sát Vecto pháp tuyến tại 1 điểm bằng tích có hướng của hai véc tơ tiếp

Véc tơ pháp tuyến đơn vị: ⌊ ⌋ = ⌊

phù hợp với ứng dụng Trong gia công, hướng của n được chọn sao cho n hướng ra phía ngoài bề mặt gia công

Véc tơ xoắn tại một điểm trên bề mặt dùng để đo độ xoắn của bề mặt tại điểm đó

Đó là tốc độ thay đổi của véc tơ tiếp tuyến Pu đối với u hay Pv đối với v.hay chính là véc

tơ đạo hàm hỗn hợp

17

[

Véc tơ xoắn phụ thuộc vào các đặc trưng hình học và tham số hóa của nó Do vậy

không có nghĩa nhất thiết phải tạo ra sự xoắn, ví dụ như mặt phẳng không phải là mặt xoắn

Khoảng cách giữa hai điểm trên bề mặt cong

Đường dẫn trên bề mặt nối giữa hai điểm có chiều dài nhỏ nhất gọi là geodesic Geodesic của bề mặt cung cấp khả năng lập chương trình chuyển động tối ưu cho gia công NC bề mặt cong, khoảng cách rất nhỏ giữa hai điểm (u,v) và (u + du, v+ dv) trên bề mặt được xác định theo phương trình sau:

ds 2 = P u P u du 2 + 2 P u P v dudv + P v P v dv 2 (1.7)

= Edu 2 + 2Fdudv + Gdv 2

Với E(u,v) = P u P u , F(u,v) = P u P v , G(u,v) = P v P v (1.8)

Trong đó E, F, G là các hệ số cơ sở thứ nhất của bề mặt dùng để xác định chiều dài diện tích và các đặc trưng về hướng và góc trên bề mặt

Khoảng cách giữa hai điểm P(ua, va) và P(ub, vb) nhận được bằng cách tích phân (1.7) dọc theo đường dẫn u = u(t), v = v(t) trên bề mặt

Hình 1 4 - Khoảng cách giữa hai điểm trên mặt cong

Độ cong của bề mặt tại 1 điểm P(u,v) được định nghĩa là độ cong của đường cong

tiết diện pháp tuyến nằm trên bề mặt và đi qua điểm này Đường cong tiết diện pháp tuyến là đường cong giao tuyến của một mặt phẳng chứa pháp tuyến đơn vị ⃗ tại điểm đó

và bề mặt

P(ua,va)

P(ub,vb)

với L, M, N là các hệ số cơ sở thứ hai của bề mặt được xác định như sau:

L(u,v) = ⃗ Pu ; M(u,v) = ⃗ Puv ; N(u,v) = ⃗ Pv

Độ cong chính thứ nhất k1,P và độ cong chính thứ hai k2,P có thể được xác định từ công thức (1.10) Đây là độ cong lớn nhất và nhỏ nhất tại một điểm trên bề mặt P Tại một điểm trên bề mặt luôn có hai hướng chính vuông góc với nhau là hướng của hai

đường cong tiết diện pháp tuyến chính C 1.P và C 2.P có các độ cong lớn nhất và nhỏ nhất đi qua điểm này

Đối với mỗi giao tuyến phẳng bán kính cong của nó được tinh như sau:

P

n r

P

n r

N

19

Ta có thể tính bán kính cong ở tiết diện bất kỳ hợp với mặt phẳng pháp tuyến một

Ngoài ra còn có hai thông số quan trọng đặc trưng cho topo cục bộ của bề mặt là:

tuyến này hợp với tiết diện chính C 1.P một góc

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 đường cong tiết diện pháp tuyến

có thể xác định theo phương trình Germain:

Các điểm dị biệt trên bề mặt gia công

Trong nhiều trường hợp cần tìm các điểm dị biệt

Hình 1 6 – Các điểm dị biệt trên bề mặt gia công

+ Nếu phương trình mặt cong cho theo phương trình F(x,y,z) = 0 thì các điểm dị biệt thỏa mãn hệ phương trình sau:

N N

20

0),(

0),(

0),(

y x F

y x F

+ Nếu đường cong cho theo phương trình tham số thì các điểm dị biệt phải thỏa mãn

hệ phương trình sau:

0 0

) (

) (

1 1

t f y

t f x

(1.17)+ Nếu đường cong khảo sát là đường bao của họ đường cong F(x,y,t)=0 thì điểm dị biệt của nó được xác định bởi phương trình sau:

0),,(

0),,(

0),,(

t y x F

t y x F

(1.18)1.1.1.2 Các thông số hình học của dao phay đầu cầu

Trong thực tế có nhiều loại dao phay đầu cầu (với kết cấu, hình dáng và quy cách khác nhau) nhưng về mặt hình học của dao cơ bản là giống nhau được mô tả trong hình 1.7.(a) Hệ toạ độ của dao là OT XT YT ZT, với E là điểm đỉnh dao

Trên dao có thể có nhiều lưỡi cắt tùy thuộc và đường kính của dao, nhưng mỗi một lưỡi cắt đều có các thông số cơ bản sau: Hình bao của lưỡi cắt nằm trên mặt cầu với bán kính R0 và mặt trụ có bán kính R0 với tổng chiều cao tham gia cắt là Le Góc xoắn của lưỡi cắt trên phần trụ của dao có giá trị không đổi i0 ( góc i0 đo từ trục oy tới đường xoắn ốc) Tại vị trí P thuộc lưỡi cắt của dao với độ cao z ( đo theo chiều dương của trục z

từ điểm E), bán kính cắt trên mặt phẳng (x,y) là R(z) xác định theo công thức sau:

0 2

21

thức:

t

N j

j( )     (  1 ).2

Trong đó: Nt số lưỡi cắt

Với chiều dài bước xoắn không đổi, xác định  theo công thức sau:

)(tan

z R

z i R

0

1

i R

z R z

(1.21)

Hình 1 7 a): Hình học của dao phay đầu cầu

22

Hình 1.7 b) Hình học của lưỡi cắt

Hình 1.7 c) Hình học của lưỡi cắt

cos1(cos(

sin))

cos1(sin(

)(

)(

)(

k R

Z Y

(1sin

1(

cos)

(

)0

(1sin

1(

cos)

()(

0 4

2 1

0 4

2 1

z

i k

z z

2

) (

1

dt dr dt

r d dt

r d dt

dr p



(1.25)

: là bán kính cong, : là bán kính xoắn

Bán kính cong của lưỡi cắt tai điểm P trên phần cầu của dao:

Theo công thức (1.12) bán kính cong

tại điểm P thuộc lưỡi cắt của dao phay đầu

Các thông số hình học của lưỡi cắt trên

phần cầu của dao:

Hình 1 8 Thông số hình học của lưỡi cắt

và đường kính phần cầu của dao [8] Vì vậy để tính toán lựa chọn vận tốc cắt cần xác định đường kính cắt thực:

) (

Trong đó:

De là đường kính gia công ứng với chiều sâu cắt ap (mm)

Hình 1 9 Thông số tính toán vận tốc cắt của dao phay cầu

ap là chiều sâu cắt (mm)

25

D là đường kính của dao (mm)

n là số vòng quay của dao (vòng/ph)



90)

2.(

D là đường kính của dao (mm)

n là số vòng quay của dao (vòng/ph) Như vậy, nếu với cùng số vòng quay của trục chính thì các điểm cắt khác nhau có vận tốc cắt khác nhau Theo tính toán như trên thì tốc độ cắt tại đỉnh dụng cụ luôn bằng không [1] Đây là lý do tại sao khi gia công bề mặt bằng đỉnh dao cầu thì bề mặt chi tiết có độ bóng thấp và khi gia công tinh sử dụng máy phay CNC ba trục thì vị trí tương quan giữa trục dụng cụ và bề mặt gia công là rất quan trọng để đạt được chất lượng bề mặt tối ưu, tuổi thọ dụng cụ là lớn nhất,

26

0

0 1

R

z R

Trên mặt phẳng tiếp tuyến Ps tại P, lưỡi cắt thành phần thể hiện như hình 1.11

Với lưỡi cắt có chiều rộng

k

dz d

d

sin, 



Vận tốc cắt xác định trong hệ toạ độ (x, y , z)

Hình 1 11 Lưỡi cắt thành phần

là tần số quay (rad/s), R(z) là bán kính cắt tại P

Khi phay tinh, với mong muốn vận tốc cắt luôn khác không tức là tránh cắt ở đỉnh dao vậy R(z) > 0 và k > 0 là điều kiện cần thiết để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết

1.2 Một số đặc điểm bề mặt chi tiết sau khi gia công

Trong thực tế sản xuất chi tiết có bề mặt phức tạp, nhiều trường hợp không thể gia công theo đúng hình dáng hình học bề mặt cho trước như bản vẽ kỹ thuật do khi gia công

có thể xảy ra các hiện tượng sau:

- Cắt lẹm prôfin: trong quá trình gia công, một phần của chi tiết bị dao thâm nhập vào là do khi profin của dao và chi tiết tiếp xúc thì mặt khởi thuỷ của dụng cụ có phần thâm nhập vào bề mặt chi tiết

Khi phay mặt cong có bán kính r bằng dao phay đầu cầu với bán kính r1, có vị trí bán kính dao r1>r bán kính của rãnh thì xảy ra hiện tượng cắt lẹm (hình 1.14) và bề mặt khởi thuỷ của dụng cụ người ta thường áp dụng phương pháp mặt cắt Trong mặt phẳng cắt đi qua điểm tiếp xúc có thể nhìn thấy một số dạng tiếp xúc của prôfin sau:

 Khi tiếp xúc tại điểm lồi (tiếp xúc ngoài) của cặp prôfin thì không cần quan tâm

27

đến bán kính cong nơi tiếp xúc (hình 1.15)

 Khi tiếp xúc mà ở điểm đó tồn tại một prôfin lồi tiếp xúc với một prôfin lõm (tiếp xúc trong) (hình 1.16), để không có hiện tượng cắt lẹm thì bán kính cong của prôfin lõm phải lớn hơn bán kính cong của prôfin lồi

 Hai prôfin có thể tiếp xúc với nhau tại những điểm đặc biệt, đó là điểm dừng (điểm lùi) Ở đây ta chỉ xét điểm lùi loại I: Trong hình 1.17 chỉ ra điểm lùi của đường cong lồi Trong trường hợp này có thể xảy ra hiện tượng cắt lẹm nếu điểm lùi được tiếp xúc với một prôfin khác không phải là điểm đặc biệt Hiện tượng cắt lẹm sẽ không xảy

ra khi điểm lùi là điểm giới hạn của hai prôfin tiếp xúc ở phần lồi Trong hình 1.18 chỉ ra điểm lùi của đường cong lõm Trong trường hợp này, hiện tượng cắt lẹm chỉ không xảy ra khi tiếp xúc với phần lồi của prôfin khác

Do vậy khi nghiên cứu đặc tính tiếp xúc của cặp prôfin dao và phôi ở trong các tiết diện tương ứng cần phải biết bán kính cong của prôfin dao, profin chi tiết gia công và xác định các điểm đặc biệt trên bề mặt chi tiết

Hình 1 12 Một số điểm đặc biệt trên chi tiết

Do vậy để gia công được chính xác về mặt hình học của các chi tiết theo bản vẽ cần đảm bảo không có hiện tượng cắt lẹm của bề mặt khởi thuỷ của dụng cụ vào bề mặt chi

tiết Nếu điều kiện trên không đảm bảo ở sơ đồ gia công hay bề mặt chi tiết đã cho thì

phải thay đổi đặc tính tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết, từ đó dẫn đến sự thay đổi kích thước và các thông số kết cấu của dụng cụ cắt hay kiểu dụng cụ khác nhau, ví dụ như trong hình 1.19

28

Hình 1 13 Thay đổi kích thước và thông số kết cấu của dụng cụ

của phần cầu của dao)

Hình 1 14 Độ nhấp nhô bề mặt chi tiết

- Độ nhấp nhô bề mặt chi tiết không đồng đều tại vị trí có độ cong thay đổi là do điểm tiếp xúc giữa lưỡi cắt và bề mặt chi tiết thay đổi:

Hình 1 15 Độ nhấp nhô bề mặt chi tiết

Độ nhám bề mặt:

Một trong những nhược điểm khi gia công bằng dao phay cầu đó là nhám bề mặt lớn Bởi vì ngoài việc chịu ảnh hưởng của những yếu tố: Như độ cứng vững của hệ thống công nghệ, quá trình mòn của dao, góc nghiêng giữa dao và phôi ….độ nhám bề mặt chi tiết gia công còn phụ thuộc vào chiều cao nhấp nhô bề mặt sau mỗi lần chuyển dao hth

29

và do kết cấu của đầu dao

Bằng phương pháp phân tích hình học 2 đường chuyển dao liên tiếp với lượng dịch chuyển là p khi gia công mặt phẳng có thể biết được giá trị của hth như hình 1.21

Hình 1 16 Sự hình thành bề mặt khi gia công bằng dao phay cầu

2

4 02

0

p th

a R R



Trong đó:

hth là chiều cao nhấp nhô bề mặt

p là lượng dịch dao ngang

R0 là bán kính của đầu cầu ap Chiều sâu cắt

+ Sử dụng dao có bán kính lớn nhất trong điều kiện có thể

+ Giảm lượng dịch chuyển dao ngang p

- Đối với dụng cụ xảy ra một số hiện tượng:

Mòn dao không đều ở các vùng lưỡi cắt khác nhau, do các điểm tiếp xúc giữa profin của lưỡi cắt và bề mặt chi tiết thay đổi trong quá trình cắt

p

30

Có hiện tượng tì dao lên bề mặt chi tiết nên gây nứt vỡ ở vùng đỉnh dao do tại đây vận tốc cắt giảm dần đến không

Tuổi thọ của dao không ổn định

Do vậy nhiệm vụ đặt ra đối với người lựa chọn dụng cụ đó là xác định, phân tích một cách đầy đủ các nguyên nhân gây ra sai lệch prôfin chi tiết trong quá trình cắt để từ đó đưa ra được những điều kiện chọn lựa thông số hình học dụng cụ tối ưu nhằm nâng cao

độ chính xác hình học của bề mặt chi tiết

 Cơ chế cắt gọt của dao cầu là rất phức tạp

trí có vận tốc cắt bằng không, là nơi quá trình cắt gọt diễn ra phức tạp nhất, điều kiện cắt khốc liệt nhất, nên độ bóng bề mặt gia công thấp

 Trong quá trình cắt gọt, tuỳ theo vị trí cắt, sự phân bố tải trọng dọc theo lưỡi cắt của dao phay cầu là khác nhau

 Để tránh hiện tượng cắt ở đỉnh dao khi phay mặt phẳng hay các bề mặt phức tạp thì thay đổi thông số hình học của quá trình tiếp xúc giữa profin của dao và phôi bằng cách gá nghiêng phôi hoặc trục dao

 Từ xem xét trên càng khẳng định rằng đỉnh dao là nơi quá trình cắt gọt diễn ra khó khăn, nặng nhọc nhất và đây là nơi mà chất lượng bề mặt đạt được thấp nhất Do kết cấu của chi tiết gia công có thể có phần chuyển tiếp (đáy khuôn, đáy hốc…) Vì thế

kích thước dụng cụ tối ưu kết hợp với chọn góc nghiêng giữa trục dao và bề mặt chi tiết

để chọn được phương của pháp tuyến trên bề mặt chi tiết so với trục dao tối ưu và chọn vận tốc cắt tối ưu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt đồng thời đảm bảo yêu cầu làm việc tốt nhất của các chi tiết đó là vấn đề cấp thiết hiện nay

32

CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ T O H NH BỀ M T CHI TIẾT GIA CÔNG BẰNG

DAO PHAY ĐẦU CẦU 2.1 Mô hình hình học bề mặt chi tiết gia công

Các thông số cần thiết của bề mặt trong quá trình cắt: Phương trình của mặt cong,

độ cong tại các điểm trên mặt cong, bán kính cong, pháp tuyến tại các điểm trên mặt cong

Để xác định các thông số đó cần xây dựng mô hình hình học của mặt cong

Phương pháp mô tả mặt cong: Trong một số trường hợp các nhà kỹ thuật không

thể xây dựng phương trình mặt cong, thì có thể mô tả chúng trên bản vẽ dưới dạng các

Theo phương pháp mô tả mặt cong đề cập ở trên, có thể xây dựng giải thuật mô hình hoá hình học theo cấu trúc mặt cong với qui tắc chung như sau: Mặt cong được

mô tả bởi phép nội suy điểm; nội suy lưới đường cong; phép quét hình đường mặt cắt; mặt cong cơ sở bậc hai

Trong kỹ thuật sử dụng một số mô hình cơ bản sau để mô tả bề mặt chi tiết gia công trong thực tế: mô hình mặt lưới đa thức tham số, mô hình mặt lưới nội suy biên, mô hình mặt lưới quét hình, mô hình mặt lưới giải tích, Thông thường mô hình mặt lưới dưới dạng ma trận rất thích hợp cho xử lý dữ liệu Tuy nhiên đối với hình học Bezier, thấy rằng dạng ma trận ít ổn định về số so với dạng đa thức Bernstein

Trong số mô hình mặt lưới chữ nhật (vô tỷ), mô hình NURBS là dạng tổng quát nhất, các dạng khác chỉ là trường hợp đặc biệt Trong đó mô hình Bezier thích hợp nhất

vì có thể chuyển đổi các dạng khác sang dạng Bezier

Mặt quét hình là dạng mô hình hình học được sử dụng phổ biến nhất trong kỹ

33

thuật Ví dụ như có thể mô tả mặt tạo hình các loại ống dẫn, vỏ tàu, cánh quạt và các chi tiết khuôn mẫu bởi phương pháp quét hình Mặt quét hình được định nghĩa như phép chuyển đổi toạ độ Đây chính là lý do chính để phương pháp tạo hình này được sử dụng phổ biến nhất trong cơ khí chế tạo máy

Khi có mô hình bề mặt bằng một trong các dạng trên ta tìm được pháp tuyến tại mọi điểm trên bề mặt chi tiết như trong bảng 1, bán kính cong tại mọi điểm trên bề mặt,

và các vị trí đặc biệt của chi tiết

2.2 Mối quan hệ hình học giữa profin của dao và phôi

Trong quá trình cắt sử dụng dao phay đầu cầu để gia công các bề mặt phức tạp của sản phẩm khuôn mẫu, cơ chế tạo hình bề mặt là phức tạp và khác nhau khi gia công các bề mặt có phương trình hình học khác nhau Bởi vậy nghiên cứu về hình học của dao và phôi trong quá trình gia công là cơ sở để đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công

Dựa vào mối quan hệ hình học giữa dao phay đầu cầu và chi tiết gia công trong quá trình phay tinh trên máy công cụ CNC: Giả sử gia công tinh một mặt cong có phương trình xác lập, hay mô hình mặt cong như các dạng kể trên, xác định véc tơ pháp tuyến của mặt cong là MB Chọn đường chạy dao là đường tròn vì mang tính tổng quát

trong các kiểu đường chạy dao Các chế độ cắt theo chế độ gia công tinh của từng trường hợp gia công cụ thể trong thực tế

Gọi 0TXTYTZT là hệ toạ độ của dao, 0T là tâm của đầu cầu và trục ZT là trục quay của dao, đường chạy dao theo contour như hình vẽ Góc nghiêng giữa dao và phôi là góc tạo bởi trục ZT và trục Z của hệ toạ độ phôi 0XYZ Điểm giao nhau của hai trục tọa độ

đó là 0B, từ điểm này thiết lập một hệ toạ độ mới 0BXBYBZB có các trục song song với

hệ tọa độ 0XYZ Điểm P được tính toán và có toạ độ trong hệ toạ độ 0TXTYTZT bởi phương trình (2.1):

XT = rsin.sin

YT = r cos.sin

ZT = -r.cos

Trong đó: hợp bởi trục 0TYT và mặt phẳng chứa véc tơ pháp tuyến của phôi

Ghi chú: Các ký hiệu trong hình 2.1 r: bán kính của đầu cầu của dao

R0: bán kính của dịch dao theo bề mặt bằng Rw + r RB: bán kính từ tâm OB đến

34

f: lượng ăn dao trên một vòng

i: Số thứ tự của các lưỡi cắt; i = 0 – N-1, lưỡi cắt đầu tiên thì i = 0

là góc giữa trục ZT và trục Z, giả thiết không đổi

là góc tạo bởi mặt trước của lưỡi cắt trong mặt phẳng YTZT, là hàm của góc 

góc giữa tâm của dao và gốc tọa độ phôi OOT và trục OZ

là góc theo đường chạy dao

35

Hình 2 Mô hình hình học phần cầu của dao

: góc quay của dao quanh trục ZT Trong đó:

Điểm P được biểu diễn trong hệ toạ độ 0B XB YB ZB :

Điểm P cũng là điểm giao của lưỡi cắt và véc tơ pháp tuyến MB(B , 0 ) Xác

định điểm cắt P là yếu tố quan trọng và cần thiết nghiên cứu chất lượng bề mặt chi tiết gia công, điểm P được xác định dựa vào phương trình hình học cơ bản dưới đây Để tránh hiện tượng vỡ dao, mòn dao và hiện tượng cào xước bề mặt gia công thì khi gia công để đạt chất lượng bề mặt tốt hơn thì tránh vùng đỉnh dao tham gia cắt gọt,

36

* Phương trình hình học cơ bản

Phương trình (2.4) và (2.5) là cần thiết để tìm biến  và của điểm giao nhau giữa lưỡi cắt trên dao và bề mặt phôi Phương trình (2.4) tương đương như phương trình (2.6)

Bán kính cong của đường chạy dao RB.sin thường lớn hơn f (lượng ăn dao trong

một vòng quay của dao) Tại lưỡi cắt đầu tiên i = 0,  =  -  và thỏa mãn 0  

Với điều kiện này của  thì cos(0-) 1 vì 0 1;  1



Khi thay đổi K2 so với trường hợp cộng hoặc trừ (-B) , K2 được phân tích trong

của phương trình (2.6) coi như điểm giao nhau của hàm tuyến tính K1 và hàm bậc hai K2,

có thể coi nhưu nghiệm đầu tiên của phương trình (2.3) cũng xác định từ phương trình (2.6) Tuy nhiên cũng xuất hiện điểm giao nhau thuộc lưỡi cắt và véc tơ pháp tuyến trong vùng đỉnh dao nữa

Trường hợp lưỡi vắt xoắn ốc, điểm giao đầu tiên với lưỡi cắt phẳng được tính toán sau đó là điểm giao với lưỡi cắt xoắn ốc xác định bằng cách cho góc i thay đổi dần đến

37

0 Khi điểm giao nhau với lưỡi cắt phẳng tại điểm Pi như hình 2.2, i được xác định trong hình 2.3 bằng cách đo Sau đó góc đầu tiên của lưỡi cắt phẳng được thay đổi đến khi nào giao nhau với véc tơ pháp tuyến MB(B, 0) Điểm giao của lưỡi cắt xoắn ốc được tính toán cuối cùng

Xét phương trình (2.6) B, 0 thay đổi từ giá trị min đến giá trị max, giả sử tại một

vị trí cắt xác định góc ,, B, 0 không thay đổi và thỏa mãn các điều kiện trên, góc nghiêng có một giá trị, để đảm bảo hàm F4 thì: sin(-B) = const Có nghĩa là , B có mối quan hệ tỉ lệ thuận với nhau Từ đó xác định được miền giá trị của góc nghiêng giữa trục ZT của dao và trục Z của phôi

2.3 Mô hình lực cắt khi phay

Khi phay tinh với trục dao cố định và phôi c ó mặt nghiêng một góc thì có kiểu chạy dao như hình vẽ:

Hình 2 2.Kiểu chạy dao theo biên dạng chi tiết

Hình 2 3.Kiểu chạy dao theo phương ngang

38

Đường chạy dao được xác định bởi di chuyển của một điểm trên dao phay, thường lấy tâm C của đầu cầu trên dao phay Trong quá trình gia công giữa đường bao của lưỡi dao và bề mặt phôi là điểm PC , tại đây vẽ véc tơ pháp tuyến với bề mặt gia công

nc

O là điểm gốc của hệ toạ độ phôi, R0 là bán kính của đầu cầu

Véc tơ pháp tuyến nc của bề mặt là hàm sau:

Giữa bề mặt phôi trước và sau gia công có khoảng cách dn, tại X = 0, độ cao bề mặt sau gia công là Z0 Độ cao của một điểm cắt trên bề mặt gia công được tính từ ZPS (toạ độ của điểm P đang tham gia cắt) như sau:

Hình 2 4

Điểm tâm đầu cầu C xác định được từ (2.15) đến (2.17)

ZC(XPC)= Z0 + XPC.tan + R0.cos  (2.18)

39

Hình 2 5

Vận tốc vòng f của dao là hằng số trong một lần gia công nhưng thay đổi nếu chọn

lượng ăn dao trên một răng:

40

kiện:

- Vị trí tương quan của bề mặt chưa gia công dọc theo 3 trục toạ độ, đặc biệt theo trục Z

- Đường chạy dao trước

- Vị trí cắt của răng trước của dao

Điểm P có toạ độ trong hệ toạ độ O xyz:

Với các toạ độ xp, yp, zp :

R(z) và j (z) bán kính và góc tại vị trí cắt P có độ cao z

Các điều kiện để kiểm tra sự ăn vào của lưỡi cắt đến bề mặt phôi:

 Điểm cắt P thuộc lưỡi cắt khi gia công thoả mãn điều kiện 1 và 2: