Khai thác cồng nghệ gia công bề mặt phức tạp trên máy CNC 2 trục chính

Nghiên cứu, khai thác khả năng công nghệ của các máy tiện CNC 2 trục để gia công một số chi tiết dạng trụ có bề mặt phức tạp là một trong những hướng phát triển nhằm đáp ứng những yêu cầ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số: 60520103

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS LƯU ĐỨC BÌNH Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận

văn tốt nghiệp thạc sĩ (ghi ngành của học vị được

công nhận) họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 29

tháng 07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

− Thư viện trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY

PGS.TS LÊ VIẾT NGƯU

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ gia công trên máy CNC ngày càng được sử dụng phổ biến ở Việt Nam Với việc sử dụng các máy CNC, ngoài việc chất lượng sản phẩm được nâng cao, năng suất gia công cũng được cải thiện đáng kể thì việc gia công những bề mặt phức tạp trên những máy tiện cũng phát triển Từ đó, những sản phẩm tạo ra sẽ có giá cạnh tranh hơn nhưng vẫn thỏa mãn những yêu cầu khắc khe từ khách hàng Tuy nhiên, để duy trì được các yếu tố trên thì việc sử dụng công nghệ gia công phù hợp để đảm bảo chất lượng, đúng tiến độ là một trong những tiêu chí quan trọng bậc nhất

Nghiên cứu, khai thác khả năng công nghệ của các máy tiện CNC 2 trục để gia công một số chi tiết dạng trụ có bề mặt phức tạp là một trong những hướng phát triển nhằm đáp ứng những yêu cầu trên Việc làm này góp phần giải quyết vấn đề trước mắt là tiếp cận công nghệ gia công tiên tiến và giảm bớt nguyên công trong gia công chi tiết dạng trụ

Xuất phát từ những lý do trên, tôi đã chọn để tài: "Khai

thác công nghệ gia công bề mặt phức tạp trên máy tiện CNC

2 trục chính" làm luận văn tốt nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Khai thác khả năng công nghệ của máy tiện CNC 2 trục chính Maxxturn 65

- Khai thác phần mềm điều khiển ShopTurn của máy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng:

Chế tạo các chi tiết có biên dạng phức tạp trên máy tiện Maxxturn 65 tại Viện CN cơ khí và tự động hóa, trường Đại học Bách khoa, ĐHĐN

Phạm vi:

- Máy tiện CNC 2 trục chính Maxxturn 65

- Phần mềm điều khiển Shopturn

- Gia công thực nghiệm một số chi tiết có biên dạng phức tạp

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiệm

5 Nội dung nghiên cứu

Ngoài phần mở đầu, đề tài bao gồm các chương:

Chương 1- Tổng quan về gia công cắt gọt các bề mặt phức tạp Chương 2- Máy tiện cnc 2 trục chính Maxxturn 65

Chương 3- Gia công thực nghiệm một số chi tiết bằng phần mềm điều khiển shopturn

Chương 4- Kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT CÁC BỀ MẶT PHỨC TẠP

1.1 TỔNG QUAN CÁC DẠNG BỀ MẶT TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT

1.1.1 Các dạng bề mặt gia công

a, Dạng bề mặt có đường chuẩn là đường tròn

Thể hiện bề mặt được hình thành do đường sinh quay xung quanh đường chuẩn là đường tròn với đặc trưng cơ bản là có trục chuẩn đối xứng hoặc tâm đối xứng

- Đường chuẩn là đường tròn, đường sinh thẳng:

- Đường chuẩn là đường tròn, đường sinh gãy khúc:

- Đường chuẩn là đường tròn, đường sinh cong:

b) Dạng bề mặt có đường chuẩn là đường thẳng

Thể hiện bề mặt được hình thành do đường sinh quét dọc theo đường chuẩn là đường thẳng

- Đường chuẩn là đường thẳng, đường sinh thẳng:

- Đường chuẩn là đường thẳng, đường sinh gãy khúc:

- Đường chuẩn là đường thẳng, đường sinh cong:

c, Dạng bề mặt phức tạp

Dạng bề mặt phức tạp là các dạng bề mặt cần gia công khác với các dạng bề mặt ở trên Các dạng bề mặt này có cách tạo hình phức tạp hơn nhiều so với các dạng bề mặt có đường chuẩn là đường thằng hay đường tròn Các dạng bề mặt này có thể thường gặp như các dạng bề mặt trụ hay côn không tròn xoay, các dạng cam, dạng thân khai, dạng cánh turbin, dạng tấm cong, dạng lòng khuôn…

Ngoài ra, các chi tiết có các bề mặt tuy đơn giản nhưng lại có các yêu cầu về vị trí tương quan giữa các bề mặt rất cao

như độ đồng tâm giữa các bề mặt trụ của trục khuỷu, các bề mặt rãnh dạng cong trên bề mặt trụ… cũng có thể được xem là bề mặt phức tạp

1.1.2 Cơ sở tạo hình bề mặt gia công

a) Động học gia công cắt gọt

- Tạo hình và tạo hình bề mặt cho chi tiết máy

Tạo hình là quá trình hình thành bề mặt thực của những cặp đối tượng có mối quan hệ động học ràng buộc hay tự do và dựa trên dữ liệu đầu vào của đối tượng này sẽ tìm ra dữ liệu của đối tượng kia Thông thường trong quá trình gia công mối quan hệ động học của cặp đối tượng là tự do Đặc trưng của quá trình tạo hình là hình thành bề mặt khởi thủy bằng mối quan hệ đôi động học dụng cụ và chi tiết gia công

Các phương pháp gia công tạo hình bề mặt cho chi tiết gồm có: cắt gọt, rèn, dập, cán, ép

- Động học gia công

Động học gia công nghiên cứu chuyển động của dụng cụ

và chi tiết trong quá trình cắt gọt, chèn ép gây biến dạng để tạo nên hình dạng, kích thước của chi tiết máy Sơ đồ động học gia công là biễu diễn các chuyển động tuyệt đối mà các cơ cấu máy truyền cho dụng cụ và chi tiết gia công trong quá trình gia công

- Sơ đồ động học gia công cơ bản

Trong quá trình gia công kim loại, lưỡi cắt và dụng cụ chuyển động theo những quỹ đạo khác nhau so với bề mặt của chi tiết Quỹ đạo này xác định mối quan hệ động học tương hỗ giữa dụng cụ và chi tiết

Sơ đồ động học gia công cơ bản được thiết lập trên cơ sở tổ hợp các chuyển động cơ bản là chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay

Độ phức tạp của sơ đồ động học gia công phụ thuộc vào tổng số các chuyển động thành phần và đặc trưng tổ hợp Ta có thể chia

sơ đồ động học gia công thành các nhóm:

 Một chuyển động thẳng

 Một chuyển động quay

 Hai chuyển động thẳng

 Hai chuyển động quay

 Một chuyển động thẳng, một chuyển động quay

 Hai chuyển động thẳng một chuyển động quay

 Hai chuyển động quay, một chuyển động thẳng

 Ba chuyển động quay

- Động học tạo hình bề mặt

Động học tạo hình bề mặt nghiên cứu chuyển động tương đối giữa dụng cụ và chi tiết máy để tạo nên hình dạng bề mặt chi tiết máy

b) Sơ đồ động học tạo hình

Sơ đồ động học tạo hình là tập hợp tất cả các chuyển động của bề mặt định trước đối với vật thể đối tượng cần tạo hình mà các chuyển động đó cần để xác định bề mặt khởi thủy của vật thể đối tượng tạo hình gọi là sơ đồ động học tạo hình Các sơ đồ động học tạo hình bề mặt chủ yếu là tổng hợp của 2 chuyển động đều là tịnh tiến thẳng và quay, tổ hợp 3 chuyển động trở lên chưa được dùng Các sơ động học tạo hình có thể chia làm 04 bậc:

 Nhóm bậc 0: là các sơ đồ động học tạo hình, khi bề mặt tạo hình của vật thể trùng với bề mặt nguyên gốc đầu

vào Ví dụ khi chuốt rãnh, đột lỗ Trong trường hợp này chuyển động tương đối là chuyển động tự trượt, để xác định bề mặt khởi thủy không cần quan tâm đến chuyển động này

 Nhóm bậc 1: là sơ đồ động học có đặc trưng, cặp bề mặt của phần tự quay và phần đứng yên trùng nhau và tạo thành đường thẳng

 Nhóm bậc 2: là sơ đồ động học tạo hình có đặc trưng, chuyển tương hỗ của cặp bao hình là chuyển động quay tức thời

 Nhóm bậc 3: là nhóm chứa các sơ đồ động học tạo hình, chuyển động tương hổ là chuyển động xoắn vít tất thời Tổng hợp của hai chuyển động quay, hai trục chéo nhau Biểu diễn mạch tạo hình như sau:

Điều chỉnh liên kết Điều chỉnh hình học bề mặt

1

1.2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAD/CAM TRONG GIA CÔNG CÁC DẠNG BỀ MẶT PHỨC TẠP

Với công nghệ gia công truyền thống, việc gia công các

bề mặt phức tạp sẽ cần phải dùng thêm các trang bị công nghệ phức tạp như các chi tiết mẫu, đồ gá hoặc các máy chuyên dùng Điều này dẫn đến việc gia công không đạt năng suất, hiệu quả kinh tế và tính linh hoạt thấp

Sự ra đời của máy CNC và công nghệ CAD/CAM đã giúp cho việc gia công các bề mặt phức tạp trở nên thuận lợi hơn, hiệu quả hơn Do vậy, có thể nhận định rằng, hiện nay công nghệ CAD/CAM/CNC đã gần như thay thế hoàn toàn công nghệ gia công truyền thống trong việc gia công các dạng bề mặt phức tạp

1.2.1 Các khái niệm về phương pháp xây dựng bề mặt cho CAD/ CAM

Các bề mặt sản phẩm, sản xuất trong công nghiệp khá đa dạng và phức tạp, vì vậy để thiết kế và chế tạo thuận lợi người ta

đẫ sử dụng máy tính trợ giúp trong quá trình này Lĩnh vực thiết

kế và mô tả bề mặt gia công trên máy tính được gọi là CAMM - Computer Aided Modeling Machining, nó đóng vai trò quan trọng trong hệ CAD/CAM/CNC Để mô tả, xây dựng các đường cong và bề mặt trên máy tính sử dụng mô hình toán học ta cần

có những điều cơ bản

a, Các cách biểu diễn đường cong

Đường cong là quỹ tích của điểm chuyển động theo quy luật nào đó Vết để lại của điểm chuyển động hình thành đương cong hình học Trong toán học biễu diễn đường cong bằng các phương trình toán học, có 3 cách biễu diễn một đường cong:

Đường cong ẩn

Đường cong tường minh

Đường cong tham số

Để biễu diễn đường tròn bằng toán học dưới dạng phương trình bằng cách gắn hệ tọa độ Đềcac phẳng có gốc tọa

độ trùng với tâm đường tròn đơn vị Từ khoảng cách giữa tâm đường tròn O(0,0) và điểm P(x,y) trên đường tròn bán kính 1 đơn

vị, chúng có mối quan hệ giữa hai biến tọa độ biễu diễn như sau: Phương trình ẩn, có dạng g(x,y) = 0

x2 + y2 = 1 hoặc x2 + y2 – 1 = 0 Nếu chỉ xét nửa trên đường tròn đơn vị thì công thức trên được viết lại và gọi dạng tường minh của đường cong:

y = (1- x2)12

Gọi góc hợp thành giữa chiều dương trục OX với tia PO là góc

θ, giá trị tọa độ x,y là hàm của θ được gọi là phương trình tham

số của đường tròn:

x = x(θ) = cos(θ) ; y = y(θ) = sin(θ), trong đó θ được gọi là tham số của đường tròn

Hình 1.11 Điểm M nằm bên trái tâm đường tròn đơn vị Tham số khác của đường tròn đơn vị Chọn góc α được hợp thành giữa PM và OX, trong đó M là giao điểm bên trái giữa trục OX và đường tròn, ta có:

tgα= yx+1

Để chuyển đường tròn đơn vị sang phương trình tham số, nối điểm P với gốc tọa độ O, tia OP hợp với OX một góc β, quan hệ giữa x, y với tham số α:

y = 1.sinβ và x = 1 cosβ, trong đó β = 2α nên

x = cos2α = 2cos2α – 1

= 21+tg2α -1=

1-tg2α1+tg2α

đặt tgα = t Ta có x(t), y(t) như sau:

y = sin2α = 2tgα

1+tg2α nên y = y(t) =

2t1+t2

Các phương trình trên là phương trình tham số biễu diễn đường tròn đơn vị dưới dạng toán học và được gọi là dạng da thức tỉ lệ, vì mỗi phương trình được định nghĩa như là tỉ lệ của

đa thức theo tham số t

Đường cong trong không gian 3D được biễu diễn dưới dạng phương trình tham số như sau:

x = x(t) ; y = y(t) ; z = z(t)

Để thuận lợi, chúng ta dùng ký hiệu vectơ khi biểu diễn đường cong trong không gian 3D theo hệ tọa độ Đềcac như sau:

r(t) = (x(t); y(t); z(t)) Trong mặt phẳng mỗi đoạn cong dễ dàng biểu diễn bởi một phương trình ẩn hoặc tường minh ở một khoảng xác định của tham số Nhưng một đường cong trong không gian không thể biểu diễn bằng một phương trình, bởi vì đường cong được tạo ra nhờ giao của hai mặt vì vậy phương trình đường cong phải là phương trình chứa cả hai phương trình bề mặt viết dưới dạng ẩn

có dạng g(x,y,z) = 0

- Tốc độ chảy đường cong : flow rate of a curve

Tốc độ chảy ṡ(t) của đường cong bằng độ lớn đạo hàm của vectơ ṙ(t):

ṡ(t) = |ṙ(t)|

Tốc độ chảy không là tính chất của đường cong nhưng cho phép

dễ dàng biểu diễn đường cong dưới dạng tham số

- Véctơ tiếp tuyến đơn vị của đường cong

Đặt độ dài s là tham số tự nhiên của đường cong r(t), độ dài đường cong được xác định như sau:

- Độ cong của đường cong

Ta có s và T là tham số của đường cong, T là véctơ tiếp tuyến đơn vị của đường cong r(t) thì độ cong k của đường cong được định nghĩa như sau:

k = y

''

(1+y'2)

2 3

trong đó: y'' = dy

'

dxvà y

' = dydx

- Véctơ pháp tuyến chính của đường cong

Lấy vi phân tiếp tuyến T theo t sau đó chuẩn hóa ta nhận được vectơ N, vectơ này được gọi là vectơ pháp tuyến chính của đường cong Vectơ N được xác định như sau:

N=

dTdt

|dT

dt |

=

dTds

|dT

ds |

Vectơ T là vectơ đơn vị nên T.T = 1 và vectơ pháp tuyến N trực giao với vectơ tiếp tuyến T Mặt phẳng xác định bởi T và N được gọi là mặt phẳng mật tiếp Vectơ thứ ba trực giao với cả vectơ N

và T được gọi là vectơ trực giao kép B:

B = TxN

- Bán kính cong của đường cong

Đường tròn trong mặt phẳng mật tiếp đi qua một điểm trên đường cong r(t) thì được gọi là đường tròn mật tiếp Độ cong của đường cong r(t) tại điểm tiếp xúc với đường tròn mật tiếp bằng

độ cong của đường tròn mật tiếp

Nếu gọi ρ là bán kính của đường tròn mật tiếp, bán kính cong của đường tròn khảo sát r(t) được tính theo công thức :

ρ = 1

k, trong đó k là độ cong

- Độ xoắn của đường cong

Độ xoắn τ của đường cong 3D được định nghĩa như sau:

τ = -dB

ds N

Trong đó B và N tương ứng là vec tơ trực giao kép và vec tơ pháp tuyến chính

Các phương trình biểu diễn tính chất của đường cong trong không gian 3D được gọi các phương trình Serret – Frenet, gồm các phương trình sau:

• Phương trình vectơ tiếp tuyến

|dT

dt | =

dTds

thay vào biểu thức k = |𝑑𝑇

b, Biểu diễn các mặt

Bất kỳ vật thể vật lý nào cũng đều giới hạn bởi các mặt, ví

dụ chi tiết thường gặp trong chế tạo máy là trục trơn Trục trơn được giới hạn bởi hai bề mặt : mặt phẳng và mặt trụ tròn xoay Phương trình toán học mô tả mặt của vật thể biểu diễn dưới các dạng sau: dạng ẩn, dạng tham số, dạng tường minh

- Mặt được biểu diễn bằng phương trình ẩn

Xét hình cầu bán kính r =1, tâm trùng với gốc của hệ tọa độ Đềcac Các điểm nằm bên trong hình cầu thỏa mãn phương trình:

x2 + y2 +z2< 1

Hình 1.13 Mặt cầu với gốc tọa độ tại tâm cầu

Điểm P(x,y,z) là điểm nằm trên mặt cầu, phương trình mặt cầu viết dưới dạng ẩn như sau:

x2 + y2 +z2 = 1 hoặc x2 + y2 +z2 – 1 = 0

Phương trình dạng ẩn biểu diễn mặt trong không gian 3D có dạng tổng quát g(x,y,z) = 0 và biểu diễn giới hạn của nữa không

gian phía ngoài – phía trên g(x,y,z) > 0 và không gian phía trong – phía dưới g(x,y,z) < 0

- Mặt được biểu diễn bằng phương trình tham số

Trong hình học vi phân, mặt được định nghĩa là ảnh của phép ánh xạ từ một tập hợp các điểm lên một mặt phẳng vào không gian 3D và được mô tả như sau:

r(u,v) = (x(u,v),y(u,v),z(u,v)), trong đó u, v là tham số của mặt Với hình cầu đơn vị như trên hình 1.13, bằng cách coi u, v tương ứng là các kinh độ và vĩ độ của mặt cầu ta có phương trình ẩn là:

r(u, v) = (cos v.cos u, cos v.sin u, sin v)

R(u,v) = (u, v, z(u,v)) hoặc z = z(x,y)

Nếu chỉ xét bán cầu trên của hình cầu đơn vị, phương trình biểu diễn dưới dạng không tham số như sau:

z = (1 – x2 – y2)

1

2 với x2 + y2 ≤ 1 Nếu bề mặt được xácđịnh trên một vùng giới hạn thì nó được gọi

là mảng mặt hay một mảng Sắp các mảng theo điều kiện nào đó

để các mảng trở nên liên tục với nhau tạo thành một mặt, mặt này gọi là mặt ghép

- Tiếp tuyến và pháp tuyến của mặt

Khảo sát một đường cong tham số u(t) Trên miền mặt phẳng

u, v của mặt tham số r(u,v) trên hình viết dưới dạng ma trận:

u(t) = |𝑢(𝑡) 𝑣(𝑡)|𝑇

khi đó ảnh của u(t) qua ánh xạ đường cong r(t) nằm trên mặt

r(u,v) sao cho:

r(t) = r(u(t), v(t)) = (x(u(t), v(t), y(u(t), v(t), z(u(t), v(t))

Hình 1.14 Đường cong trên bề mặt và mặt phẳng tiếp tuyến Nếu cho u(t) = t và v = v0 hoặc v(t) = t, u = uo thì phương trình

là đương cong đơn tham số

- Vectơ tiếp tuyến của mặt

Đạo hàm riêng phương trình mặt r(u, v) theo u ta nhận được tiếp tuyến ru(u,v) và đạo hàm riêng r(u,v) theo v ta được tiếp tuyến thứ hai rv(u,v) Hai vectơ đơn tham số được xác định như sau :

dt = ruu̇ + rvv̇

Lưu ý rằng 𝑟̇(u,v) là tiếp tuyến của r(t) và rv(u,v), ru(u,v) là vectơ pháp tuyến đơn của đường cong đơn tham số Ba vectơ tiếp tuyến ṙ(u,v), ru(u,v), rv(u,v) xác định một mẳng phẳng được gọi là mặt phẳng tiếp tuyến

- Vectơ pháp tuyến của mặt

Vectơ pháp tuyến đơn vị n là vec tơ vuông góc với mặt phẳng tiếp tuyến với mặt tại điểm khảo sát Vectơ pháp tuyến đơn vị được xác định bằng cách chuẩn hóa vectơ tích có hướng của vectơ tiếp tuyến ru(u,v), rv(u,v) chia cho độ dài của tích có hướng của hai vectơ ru(u,v), rv(u,v) :

n = ru x rv

|ru x rv|Vec tơ pháp tuyến đơn vị có vai trò quan trọng quá trình khảo sát mặt ví dụ, vec tơ pháp dùng để xác định khoảng cách từ mặt khảo sát ra(u,v) đến gốc tọa độ Khoảng cách mặt ra(u,v) tới gốc tọa độ được xác định như sau:

ra(u,v) = r(u,v) + dn(u,v) Vectơ pháp tuyến N của mặt ẩn g(x,y,z) = 0 cho bởi công thức:

N của mặt được xác định như sau:

Ma trận cơ bản thứ nhất giúp ta tính toán diện tích mặt và diện tích mặt cắt theo công thức:

|rux rv| = |G|12

b, Ma trận cơ bản thứ hai

Xét đường cong r(t) trên mặt r(u,v) Đạo hàm bậc hai của r(t) đối với t:

r̈ = u̇(u̇uu + u̇ruv) + üru + v̇(v̇rvv+ u̇ruv) + v̈rv

Trong đó u̇ = |u̇

v̇| và D = = [

ruu.n ruv.n

ruv.n rvv.n] được gọi là ma trận cơ bản thứ hai của mặt

c, Độ cong chuẩn

Từ các phương trình Serret – Frenet dr

ds = T, dT

ds = kN, đạo hàm bậc hai của r(t) là:

r̈= dṙ

dt =

d(ṡT)

dt = s̈.T + ṡ.Ṫ = s̈.T + ṡ(ṡkN) Nhân vô hướng với n, ta nhận được:

r̈.n = (ṡ)2.kN.n Với tích vô hướng của T với n là T.n = 0

Đại lượng kNn của phương trình trên được gọi là độ cong chuẩn

Kn Từ phương trình trên ta có ṡ(t) = |ṙ(t)| , |ṙ|2 = u̇TDu̇ hay ṡ =

Trong đó u̇ = |u̇ v̇|T Cực trị của độ cong chuẩn được gọi là độ cong chính và chúng được xác định như sau:

Kn1= b+(b

2- ac)

1 2

a ; Kn2 =

b-(b2- ac)

1 2

aTrong đó :

a =|G| = |g1 h

h d2|

c =|D| = |d1 e

e d2| b= g1d2+ g2d12-ehTích của hai độ cong chính được gọi là độ cong Gaussian và nó được dùng để đo độ nhẵn của mặt