Mô hình hóa quá trình phay bề mặt 3d bằng dao phay đầu cầu (tt)

Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng công cụ toán học và các phần mềm tính toán để thiết lập mối quan hệ giữa lực cắt, nhám bề mặt, biến đổi vị trí gia công của dụng cụ cắt với các thông số

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Khi gia công bề mặt 3D có biên dạng cong thay đổi, chúng ta sẽ phải sử dụng đến dụng cụ cắt là dao phay ngón đầu cầu Với loại dao này, tùy thuộc vào vị trí tiếp xúc của đầu dao với bề mặt gia công mà độ lớn cũng như phương của lực cắt, tốc độ cắt, nhiệt cắt,… sẽ khác nhau 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 phá huỷ do biến dạng Điều này khiến cho biến dạng của dụng cụ cắt cũng thay đổi liên tục, ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác gia công cũng như chất lượng bề mặt của chi tiết Sai số đó đang là vấn đề gây

ra khó khăn lớn cho các nhà sản xuất cơ khí bởi chưa có nghiên cứu nào cụ thể để họ có thể có những điều chỉnh phù hợp cho quá trình biên dịch chương trình gia công Do vậy cần có những nghiên cứu sâu hơn về biến dạng của dụng cụ cắt

Vì vậy, đề tài “Mô hình hóa quá trình phay bề mặt 3D bằng dao phay đầu cầu” góp phần giải quyết các vấn đề trên

Đây là đề tài có tính cấp thiết và thực tiễn

2 Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

a Mục đích của đề tài

- Mô hình hóa tiết diện cắt khi phay bề mặt 3D bằng dao phay ngón đầu cầu

- Mô hình hóa lực cắt khi phay bề mặt 3D

- Mô hình hóa sai số hình học bề mặt gia công khi phay bề mặt 3D bằng dao phay đầu cầu

- Mô hình hóa nhám bề mặt gia công khi phay bề mặt khi phay bằng dao phay đầu cầu

b Đối tượng nghiên cứu

- Lực cắt khi phay phụ thuộc tiết diện cắt

2

- Sai số gia công do biến đổi vị trí gia công của dụng cụ

- Nhám bề mặt gia công do vết dịch dao để lại và biến đổi vị trí gia công của dụng cụ gây ra bởi lực cắt

3 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng công cụ toán học và các phần mềm tính toán để thiết lập mối quan hệ giữa lực cắt, nhám bề mặt, biến đổi vị trí gia công của dụng cụ cắt với các thông số công nghệ và thông số hình học bề mặt gia công

- Thực nghiệm kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết

- Sử dụng các phương pháp hồi quy thực nghiệm để thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và thông số hình học

bề mặt gia công với lực cắt, nhám bề mặt và sai số hình học bề mặt gia công

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để tính toán, đánh giá sai số hình học bề mặt và nhám bề mặt khi phay các bề mặt 3D bằng dao phay cầu

- Kết quả của đề tài là cơ sở cho các nghiên cứu liên quan như: nghiên cứu chế tạo các loại dao phay cầu, nghiên cứu tối ưu hóa quá trình phay các bề mặt 3D, nghiên cứu góc nghiêng đầu dao trong quá trình phay các bề mặt 3D trên máy CNC có 5 trục

NC, …

b Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được ứng dụng vào thực tế sản xuất trong quá trình phân tích, thiết lập phương án chạy dao, lượng bù dao, chế độ cắt trong quá trình biên dịch chương trình nhằm phay các bề mặt 3D đạt độ chính xác hình

học và chất lượng bề mặt đạt yêu cầu kỹ thuật

5 Những đóng góp mới của luận án

- Xây dựng được công thức tổng quát để tính toán tiết diện cắt khi phay mặt trụ lồi và mặt trụ lõm bằng dao phay đầu cầu

- Xây dựng được công thức tổng quát để tính toán lực cắt trong quá trình phay bằng dao phay đầu cầu trên các loại vật liệu gia công khác nhau

- Đưa ra được những tính toán về biến đổi vị trí gia công của dụng cụ khi phay bằng dao phay ngón đầu cầu Từ đó có thể dự

đoán được sai số hình học do biến đổi vị trí gia công của dụng

cụ cắt trong quá trình phay

- Luận án đã xây dựng được các phương trình toán học thể hiện

sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt, độ nhám

bề mặt và sai số hình học bề mặt 3D

6 Nội dung của luận án

Bố cục của luận án gồm 04 chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan về gia công bề mặt 3D

- Chương 2: Mô hình hóa quá trình gia công phay CNC bề mặt 3D bằng dao phay ngón đầu cầu

- Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng tính chính xác của mô hình

- Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng phương trình quan hệ giữa các thông số công nghệ và thông số hình học bề mặt gia công với lực cắt, sai số hình học và nhám bề mặt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG BỀ MẶT 3D

1.2.2 Gia công trên máy CNC

a Dụng cụ dùng trong gia công bề mặt 3D

Hình 1.11: Một số loại dụng cụ cắt dùng trong phay bề mặt 3D

b Đường dẫn dụng cụ trong gia công CNC

Đường dẫn dụng cụ (quỹ đạo cắt) trong gia công đường cong 2D có được bằng cách dịch (offset) đường cong cần gia

công một lượng bằng bán kính dụng cụ (r)

Trong gia công 3D thì đường dẫn 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 cắt (Hình 1.14)

4

Hình 1.14: Đường dẫn dụng cụ gia công 3D(nguồn [3])

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài

- Đề tài “Mô hình hoá quá trình cắt khi phay trên máy phay CNC”[4]

- Nghiên cứu về dao phay đầu cầu có bài viết “Mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền của dao phay cầu phủ TiAlN khi gia công thép Cr12MoV qua tôi”[5]

- Luận án tiến sĩ “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”[1]

- Các tác giả từ Nhật Bản có bài viết “Basic study of ball end milling on hardened steel”[6]

- Bài viết “Prediction of cutting forces in ball-end milling by means of geometric analysis” [7]

- Nghiên cứu về nhám bề mặt khi phay bề mặt tự do có bài viết

“Problems During Milling and Roughness Registration of form Surfaces”[8]

Free-

- Năm 2012, các tác giả đến từ Hy Lạp và Ba Lan có bài viết

“Influence of milling strategy on the surface roughness in ball end milling of the aluminum alloy Al7075-T6”[9]

Nhận xét:

Sau khi đánh giá nhu cầu thực tế và tìm hiểu nội dung các

đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan có thể nhận định như sau:

- Các nghiên cứu cho dao phay ngón đầu bằng là khá đầy đủ và hoàn chỉnh Nhưng không thể áp dụng kết quả đó cho dao phay cầu khi phay CNC bề mặt 3D

- Các nghiên cứu khi phay CNC bề mặt 3D đã thực hiện phần lớn tập trung vào nghiên cứu tốc độ cắt và độ mòn dao Chưa có nghiên cứu đầy đủ về lực cắt, độ nhám bề mặt và sai số bề mặt gia công do biến đổi vị trí gia công của dụng cụ dưới tác động của lực cắt

- Các nghiên cứu lực cắt cho dao phay cầu chỉ mới thực hiện nghiên cứu khi phay phẳng (lượng dư và hướng tiến dao không thay đổi) Chưa có nghiên cứu sâu về lực cắt khi phay CNC bề mặt 3D, đặc biệt là khi phay 3D với bề mặt có biên dạng cong thay đổi liên tục

- Đã có một số nghiên cứu về mô hình hoá phay CNC bề mặt 3D bằng dao phay ngón đầu cầu, nhưng đó là các mô hình hình học thuần tuý (sử dụng phương pháp CAD hoặc sử dụng các phân tích hình học thuần túy), chưa đưa ra được các hàm toán học cụ thể cho lực cắt, nhiệt cắt, nhám bề mặt khi phay CNC bề mặt 3D Một số nghiên cứu đã xây dựng được các phương trình lực cắt và nhám bề mặt khi phay CNC bề mặt 3D tuy nhiên chưa thực sự tổng quát và đánh giá được đầy đủ mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ và thông số hình học bề mặt gia công đến lực cắt và độ nhám bề mặt Các mô hình đã đưa ra chưa thể áp dụng để có thể điều chỉnh các thông số đầu vào nhằm đảm bảo độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt

- Trong các chỉ tiêu về chất lượng gia công bề mặt 3D có hai chỉ tiêu quan trọng là:

+ Chất lượng bề mặt, gồm: độ nhám và tính chất cơ lý lớp bề mặt

+ Độ chính xác hình học, gồm: hình dạng, kích thước, vị trí bề mặt

Hai chỉ tiêu quan trọng trên, các công trình nghiên cứu

đã được công bố, thường chỉ quan tâm ở mức độ nhất định, tùy khả năng và điều kiện nghiên cứu thực nghiệm, ví dụ: chỉ xét độ nhám mà chưa xét tính chất cơ lý lớp bề mặt, chỉ xét ảnh hưởng của mòn dao và các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt

mà chưa xét đến thông số hình học bề mặt và hình học dụng cụ cắt,…

6

1.4 Kết luận chương 1

- Bề mặt không gian tổng quát được hình thành bởi các phần bề mặt lồi, phần bề mặt lõm và phần bề mặt nghiêng có pháp tuyến không trùng với trục OZ Một bề mặt 3D bất kỳ sẽ được hình thành bởi các phần bề mặt cục bộ cơ bản: mặt cầu lồi, mặt cầu lõm, mặt trụ lồi, mặt trụ lõm, mặt phẳng,… Trong nghiên cứu của mình, tác giả lựa chọn tập trung nghiên cứu 02 phần bề mặt

cơ bản là mặt trụ lồi và mặt trụ lõm

- Về mặt lý thuyết, dao phay ngón đầu cầu có thể cắt bỏ hết lượng dư gia công của bề mặt cong có bán kính cong lớn hơn bán kính mũi dao Tuy nhiên, thực tế luôn luôn có phần lượng

dư không bao giờ bóc tách hết được tồn tại giữa 2 đường chuyển dao Phần lượng dư để lại này góp phần tạo nên nhấp nhô bề mặt và gây ra độ nhám bề mặt của chi tiết gia công Việc kiểm soát phần nhấp nhô này nhằm đạt được độ nhám bề mặt theo yêu cầu là vấn đề rất thiết yếu

- Đường kính điểm cắt trên mũi dao (D) thay đổi từ 2Rmũi dao đến

0, do đó vận tốc cắt biến thiên từ vận tốc cắt cực đại về giá trị 0 tại mũi dao, nên tại vùng lân cận mũi dao vật liệu phôi không phải bị cắt gọt mà bị phá hủy do biến dạng

- Tiết diện cắt khi phay bề mặt 3D cũng thay đổi liên tục, vì vậy lực cắt cũng sẽ biến thiên liên tục trong quá trình gia công Lực cắt sẽ gây ra ảnh hưởng làm cho vị trí gia công của dụng cụ sẽ

bị biến đổi so với vị trí được chương trình NC điều khiển Bởi vậy, trong quá trình phay bề mặt 3D, biến đổi vị trí gia công của dụng cụ và do đó sai số hình học bề mặt gia công cũng sẽ không

cố định

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH GIA CÔNG PHAY CNC BỀ

MẶT 3D 2.1 Mục đích của việc mô hình hóa

Mục đích của quá trình mô hình hóa trong luận án này là:

- Mô hình hóa lực cắt khi gia công bề mặt 3D

- Mô hình hóa sai số hình học và sai số kích thước bề mặt gia công

- Mô hình hóa nhám bề mặt

2.2 Mô hình lực cắt khi phay bề mặt 3D

Kết quả cho ta công thức tính lực cắt đơn vị p như sau [10]

:

p = c[tang(-1) + cotg1] (N/mm2) (2.1) Lực cắt được tính theo công thức sau:

Trong đó q là diện tích tiết diện lớp cắt được tách ra, nó phụ thuộc vào từng mô hình cắt cụ thể, p là lực cắt đơn vị p là hằng

số ứng với 1 cặp dụng cụ cắt và phôi nhất định Như vậy lực cắt

P sẽ tỉ lệ thuận với diện tích tiết diện lớp cắt được tách ra q

2.2.1 Mô hình tính toán diện tích cắt khi phay mặt 3D

a Tính diện tích cắt khi phay mặt trụ lồi

Khi phay mặt cong lồi bằng dao phay cầu, diện tích cắt của một lần tiến dao được mô tả như trên hình 2.3

Hình 2.3: Mô hình hình học phay mặt cong lồi bằng dao phay

ngón đầu cầu Phân tích 3 phương trình trên và phân tích hình học của các cung tròn ̂ , ̂ , ̂ ta có phương trình các cung tròn trên tương ứng như sau:

( ) ( ) [ / ] * ,

( ) ( ) * , ( ) - + (2.17) ( ) ,( ) -

Tiết diện mặt cắt được tính toán theo công thức sau:

∫ | ( ) ( )| ∫ | ( ) ( )| (2.19) Trong các công thức trên, các giá trị bán kính cung tròn

R, bán kính mũi dao r, chiều sâu cắt t và bước dịch dao ngang s

s = 0.1mm (mm2)

Tiết diện cắt với

s = 0.15mm (mm2)

Tiết diện cắt với

s = 0.05mm (mm2)

Tiết diện cắt với

s = 0.1mm (mm2)

Tiết diện cắt với

s = 0.15mm (mm2)

a Với t = 0.2mm b Với t=0.3mm

lồi

b Tính diện tích cắt khi phay mặt trụ lõm

Hình 2.5: Mô hình hình học phay mặt cong lõm bằng dao đầu cầu

( ) ( ) [ / ]

* , ( ) - + (2.31)

( ) ( ) * , ( ) - + (2.32) ( ) ,( ) -

Tiết diện mặt cắt được tính toán theo công thức sau:

∫ | ( ) ( )| ∫ | ( ) ( )| (2.34) Trong các công thức trên, các giá trị bán kính cung tròn R, bán kính mũi dao r, chiều sâu cắt t và bước dịch dao ngang s là các tham số Cố định các tham số R = 15mm, r =5mm, t =0.2mm và thay đổi bước dịch dao ngang Khi đó tiết diện phoi được tính toán và cho ở bảng 2.2

Bảng 2.2:Tiết diện cắt khi phay mặt trụ lõm

s = 0.1mm (mm2)

Tiết diện cắt với

s = 0.15mm (mm2)

Tiết diện cắt với

s = 0.05mm (mm2)

Tiết diện cắt với

s = 0.1mm (mm2)

Tiết diện cắt với

s = 0.15mm (mm2)

0 0.015 0.030 0.045 0.022 0.045 0.067

10 0.015 0.030 0.045 0.023 0.045 0.068

20 0.016 0.032 0.048 0.024 0.048 0.071

- p là lực cắt đơn vị, được xác định theo công thức (2.1), là hằng

số phụ thuộc vào vật liệu gia công Thực tế khi cắt với dao lưỡi cắt đơn, phụ thuộc vào độ bền và độ cứng của vật liệu ta lựa chọn lực cắt đơn vị như sau[10]

: + Đối với vật liệu dẻo: p = (2,5–4,5)B (2.39) + Đối với vật liệu dòn: p = (0,5–1,0)HB (2.40)

Trong đó giá trị hệ số nhỏ dùng khi cắt với chiều dày cắt a lớn và ngược lại

2.2.3 Tính sơ bộ lực cắt khi phay mặt 3D

- Vật liệu gia công: loạt mẫu thép C45 độ cứng HB trung bình

là 240HB, vì vậy: q = 1,0xHB = 240 (N/mm2)

- Dụng cụ cắt: Dao phay ngón đầu cầu: r = 5 mm

- Bán kính bề mặt gia công: R = 15 mm

- Bước tiến dao ngang: s =0.05, 0.1, 0.15 mm

- Lượng dư gia công: t = 0,2 và 0,3 mm

Bảng 2.3: Kết quả tính sơ bộ lực cắt khi phay mặt trụ lồi

s = 0.1mm

Lực cắt (N) khi

s = 0.15mm

Lực cắt (N) khi

s = 0.05mm

Lực cắt (N) khi

s = 0.1mm

Lực cắt (N) khi

s = 0.15mm

s = 0.1mm

Lực cắt (N) khi

s = 0.15mm

Lực cắt (N) khi

s = 0.05mm

Lực cắt (N) khi

s = 0.1mm

Lực cắt (N) khi

s = 0.15mm

12

Theo các kết quả tính toán được cho trên bảng 2.1 và 2.2, ta có biểu đồ lực cắt phụ thuộc góc  trên hình 2.8 và 2.9

a khi t=0.2mm b khi t=0.3mm

khi phay mặt trụ lồi

a khi t=0.2mm b khi t=0.3mm

cắt khi phay mặt trụ lõm

Hình 2.8, 2.9, 2.10 và 2.11 cho thấy ảnh hưởng của góc

 đến lực cắt cũng tương tự như sự ảnh hưởng của góc  đến tiết diện cắt Điều này cũng có thể hiểu bởi theo dự đoán, lực cắt được tính bằng tích của tiết diện cắt với một hằng số

2.3 Mô hình tính toán độ chính xác gia công

Khi phay, lực cắt được phân tích thành 3 lực thành phần

tác động vào dụng cụ cắt và hệ thống công nghệ là Px, Py, Pz

Hình 2.12: Sơ đồ lực cắt khi phay bằng dao phay ngón đầu cầu

PZ = P.Cos (2.42)

- Lực PX tác động lên dụng cụ cắt, gây ra biến dạng dụng cụ cắt,

vì vậy đây là thành phần lực cắt ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công

Thành phần lực cắt PX sẽ gây ra biến dạng dụng cụ như hình 2.12

Hình 2.14: Sơ đồ tính toán biến dạng của dụng cụ dưới ảnh hưởng

Lực cắt (N)

(mm)

Lực cắt (N)

Lực cắt (N)

* Gia công mặt cong lồi (Hình 2.17b, 2.18)

Hình 2.18: Sơ đồ xác định chiều cao nhấp nhô khi gia công mặt cong

lồi bằng dao phay ngón đầu cầu

√ 0√ ( ) √ 1 (2.50)

* Gia công bề mặt cong lõm (Hình 2.14c)

Hình 2.19: Sơ đồ xác định chiều cao nhấp nhô khi gia công mặt cong

lõm bằng dao phay ngón đầu cầu

vị trí tiếp xúc của dụng cụ cắt với bề mặt dụng cụ gia công và một số thông số công nghệ như lượng dư gia công, bước dịch dao ngang

- Đã xây dựng được phương trình tổng quát để tính toán sơ bộ lực cắt xảy ra trong quá trình gia công bề mặt trụ lồi-lõm

- Đã xây dựng được phương trình tính toán mức độ biến đổi vị trí gia công của dụng cụ cắt, từ đó đánh giá được sai số khi phay mặt trụ lồi-lõm

- Đã đưa ra giả thuyết về độ nhám bề mặt khi phay bề mặt 3D, ngoài phụ thuộc vào các thông số công nghệ còn phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng hình học của bề mặt gia công và vị trí tiếp xúc giữa dụng cụ cắt với bề mặt gia công (được đặc trưng bởi góc )

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG TÍNH

CHÍNH XÁC CỦA MÔ HÌNH 3.2 Mô hình thực nghiệm

Sơ đồ thực nghiệm: