Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dùng cụ trong sáng tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Văn Quý NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN DỤNG CỤ VÀ ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC Ngành: Kỹ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hoàng Văn Quý

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN DỤNG CỤ VÀ ĐƯỜNG DỤNG CỤ

TRONG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới

sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công

bố

Người hướng dẫn khoa học

PGS TS Bùi Ngọc Tuyên

Nghiên cứu sinh

Hoàng Văn Quý

LỜI CẢM ƠN

Luận án đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS

TS Bùi Ngọc Tuyên Tôi xin được chuyển tới thầy sự kính trọng, lòng biết ơn sâu sắc bởi sự định hướng, chỉ bảo, động viên, và những kiến thức quý báu của thầy trong lĩnh vực mà tôi đã nghiên cứu

Tôi xin được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới tập thể giảng viên bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp đã có những chia sẻ quý báu

về kiến thức, về phương pháp nghiên cứu và những lời động viên tới NCS trong suốt tiến trình nghiên cứu đề tài

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tôi luôn luôn nhận được

sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong Viện Cơ khí và Phòng Đào tạo Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy các cô trong Viện Cơ khí đã tận tình giúp đỡ để tôi hoàn thành quá trình học tập nghiên cứu của mình

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại học Hải Phòng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin được gửi lời biết ơn tới gia đình, người thân đã luôn bên cạnh trong suốt toàn bộ thời gian thực hiện nghiên cứu

Hài nội, ngày 6 tháng 12 năm 2019 Nghiên cứu sinh

Hoàng Văn Quý

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

Danh mục các ký hiệu vii

Danh mục các chữ viết tắt ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO 7

1.1 Mặt tự do và ứng dụng của mặt tự do 7

1.1.1 Giới thiệu 7

1.1.2 Lịch sử phát triển 7

1.1.3 Ứng dụng đường, mặt tự do 8

1.1.3.1 Ứng dụng đường, mặt tự do trong thiết kế 8

1.1.3.2 Ứng dụng đường, mặt tự do trong gia công 10

1.2 Quá trình gia công tạo hình bề mặt tự do 13

1.3 Dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt tự do 15

1.3.1 Kiểu dụng cụ sử dụng trong gia công mặt tự do 15

1.3.1.1 Dao phay ngón đầu phẳng 17

1.3.1.2 Dao phay ngón đầu cầu 17

1.3.1.3 Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn 17

1.3.1.4 Dao phay ngón thân côn 18

1.3.2 Đường dụng cụ khi gia công mặt tự do 21

1.3.2.1 Khái niệm 21

1.3.2.2 Các kiểu đường dụng cụ cơ bản 21

1.3.2.3 Các thông số cơ bản của đường dụng cụ 27

1.4 Phương pháp tính toán sinh đường dụng cụ 29

1.4.1 Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm tiếp xúc (CC-Based) [29] 29

1.4.2 Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm định vị dụng cụ (CL-Based) [29] 30

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu gia công mặt tự do trên máy phay CNC 31

1.5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 31

1.5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới 33

1.6 Đánh giá tình hình nghiên cứu phương pháp gia công mặt tự

do và đề xuất hướng nghiên cứu của luận án 35

1.7 Kết luận 37

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TỰ DO TRONG CÁC HỆ THỐNG CAD/CAM 39

2.1 Biểu diễn đường tự do trong hệ thống CAD/CAM 39

2.1.1 Các phương pháp biểu diễn toán cơ bản của đường tổng quát 39

2.1.2 Biểu diễn đường cong Bezier 40

2.1.3 Biểu diễn đường cong B-spline 45

2.2 Biểu diễn mặt tự do trong hệ thống CAD/CAM 47

2.2.1 Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình đa thức dạng tham số 49

2.2.1.1 Mô hình toán biểu diễn mảnh mặt Ferguson 49

2.2.1.2 Mô hình mảnh mặt Bezier 50

2.2.2 Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình nội suy ranh giới mảnh mặt 51

2.2.2.1 Biểu diễn mặt tự do bằng mô hình mặt kẻ 51

2.2.2.2 Biểu diễn mặt tự do bằng mô hình mặt Coon 52

2.2.3 Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình mảnh quét 52

2.2.3.1 Mảnh mặt trượt tịnh tiến 52

2.2.3.2 Mảnh mặt quay 53

2.2.4 Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng tứ giác 53

2.2.5 Mảnh mặt B - spline 54

2.2.6 Mặt NURBS 55

2.2.6.1 Biểu diễn toán học bề mặt NURBS 55

2.3.6.2 Đạo hàm của mặt NURBS 56

2.2.7 Công cụ mô phỏng một số mặt cơ bản sang dạng mặt tự do 57

2.3.8 Cấu trúc tệp (file) biểu diễn mặt theo định dạng IGES trong CAD/CAM 59

2.2.8.1 Cấu trúc của file IGES 59

2.2.8.2 Biểu diễn một số đối tượng theo định dạng file IGES 65

2.3 Kết luận 67

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC 69

3.1 Giới thiệu 69

3.2 Ảnh hưởng của dụng cụ khi tạo hình bề mặt trên máy phay

CNC 70

3.3 Xây dựng phương án lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý để gia công tạo hình mặt tự do 74

3.3.1 Phân vùng mặt tự do 75

3.3.2 Lựa chọn dụng cụ hợp lý tương ứng với từng phân vùng 79

3.3.3 Xác định ranh giới tương ứng với mỗi phân vùng cục bộ 81

3.3.4 Thí nghiệm đánh giá kết quả 88

3.4 Đề xuất phương án gia công với bề mặt đã phân vùng: 99

3.4 Kết luận 101

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC 103

4.1 Xây dựng thực nghiệm Taguchi đánh giá ảnh hưởng của đường dụng cụ tới chất lượng tạo hình bề mặt tự do 105

4.1 1 Phương pháp Taguchi 105

4.1.2 Xây dựng thực nghiệm 107

4.1.2.1 Điều kiện thực nghiệm 107

4.1.2.2 Lựa chọn thông số đầu vào và xây dựng mảng trực giao Taguchi 109

4.2 Đề xuất phương án xác định đường dụng cụ 114

4.2.1 Điều kiện biên 114

4.2.2 Tính toán thông số đường dụng cụ 115

4.2.2.1 Tính toán bước tiến ngang (St).(Bổ đề 1) 116

4.2.2.2 Xác định đường dẫn hợp lý đảm bảo Sc ≤ [Sc] (Bổ đề 2) 118

4.2.3 Tính toán sai số xấp xỉ 123

4.3 Mô phỏng và thực nghiệm đánh giá kết quả 126

4.4 Kết luận 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

PHỤ LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các ký hiệu

1 C(u) Phương trình biểu diễn đường cong tự do với biến u

2 u Tham số của đường cong tự do theo phương u (0 ≤ u ≤ 1)

3 v Tham số của đường cong tự do theo phương v (0 ≤ v ≤ 1)

4 Bi, n(u) Đa thức Bernstein với biến u

5 Ri, n(u) Hàm vô hướng cơ sở cho đường cong tự do

6 Pi Điểm điều khiển thứ i của đường cong hoặc mặt cong tự do

7 x Biến số của hàm số theo phương Ox trong hệ tọa độ Descartes

8 y Biến số của hàm số theo phương Oy trong hệ tọa độ Descartes

9 z Biến số của hàm số theo phương Oz trong hệ tọa độ Descartes

10 Pi, j Điểm điều khiển tại nút (i, j) của lưới điểm điều khiển của mặt tự do

18 u(t) Đường cong tham số t theo phương u

19 v(t) Đường cong tham số t theo phương v

21 D Ma trận cơ bản thứ hai của đường cong

24 Q Ma trận hệ số góc

du Phép tính đạo hàm với biến u

28 mm Đơn vị đo độ dài: mi li mét (10-3m)

29 µm Đơn vị đo độ dài: micro mét (10-6m)

30 S(u,v) Mặt tự do biểu diễn trong không gian tham số

32 n Vector pháp tuyến của mặt S(u,v)

33 TT Mặt phẳng tiếp tuyến của mặt cong S(u,v)

34 St Khoảng dịch dao ngang (Step over size)

35 Tn Mặt phẳng tạo bởi vector hướng dao và vector pháp tuyến

37 Si Điểm bất kỳ i của mặt S(u,v)

38 Sc Đường cong giao giữa mặt Tn và S(u,v)

39 Tpi Đường dụng cụ thứ i

Danh mục các chữ viết tắt

1 CAD Computer Aided Design Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính

2 CAM Computer Aided Manufacturing Sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính

3 CAGD Computer Aided Geometry Design Thiết kế hình học có sự hỗ trợ của máy tính

4 CIM Computer Intergrated Manufacturing Sản xuất có sự tích hợp của máy tính

6 CAE Computer Aided Engineering Ứng dụng máy tính trong phân tích

7 CAPP Computer Aided Production Planning

Lập kế hoạch chế tạo sản phẩm có sự trợ giúp của máy tính

9 CNC Computer Numerical Control

Điều khiển số bằng máy tính (chỉ những hệ thống cơ khí gia công

tự động

10 NURBS Non-uniform rational B-spline

Mặt hoặc đường spline hữu tỉ không đồng nhất

B-11 B-spline B-spline Đường cong tự do B-spline

12 2D Two Dimension Không (dùng trên máy 2 trục) gian phẳng

13 3D Three Dimension Không gian ba chiều (dùng trên máy 3 trục)

14 5D Five Dimension Không gian năm chiều (dùng trên máy 5 trục)

15 CC point Cutting Contact point Điểm cắt (điểm tạo hình)

16 CL point Cutting Location point Điểm định vị dụng cụ

17 CC path Cutting contact path Đường tập hợp (quỹ đạo) các điểm tạo hình

18 CL path Cutting Location path

Đường tập hợp (quỹ đạo) các điểm định vị dụng cụ

20 DPi,

i=1, 8 8 set of data points

8 tập dữ liệu điểm thành phần

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Các đường dụng cụ cơ bản 22

Bảng 1 2 Thuật ngữ cơ bản của đường dụng cụ trong gia công CNC 22 Bảng 1 3 Mười dạng vùng bề mặt cục bộ của bề mặt tự do trơn liên tục 33

Bảng 2 1 Bảng cấu trúc dữ liệu file IGES 61

Bảng 2 2 Bảng thống kê nhãn biểu diễn dữ liệu trong IGS 63

Bảng 3 1 Bảng điểm điều khiển và trọng số mặt tự do mẫu thí nghiệm 88

Bảng 3 2 Bảng tính chất vật lý của nhựa PA 89

Bảng 3 3 Bảng thông số dụng cụ 90

Bảng 3 4 Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVANEX 9106 91

Bảng 3 5 Bảng thông số cao độ z các điểm trên bề mặt mẫu thiết kế93 Bảng 3 6 Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 1 93

Bảng 3 7 Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 2 93

Bảng 3 8 Chương trình gia công 97

Bảng 3 9 Bảng tổng hợp thời gian gia công và chiều dài đường dụng cụ 98

Bảng 3 10 Bảng tông hợp kết quả đánh giá 99

Bảng 3 11 Bảng so sánh phương pháp gia công với bề mặt được phân vùng 100

Bảng 3 12 Bảng thống kê gia công mẫu theo ba phương án 100

Bảng 4 1 Bảng thông số dụng cụ 108

Bảng 4 2 Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVA NEX9016 108

Bảng 4 3 Bảng tọa độ điểm thiết kế mặt phôi 109

Bảng 4 4 Bảng thông số F, S, T 111

Bảng 4 5 Mảng trực giao Taguchi L9 (3^3) 111

Bảng 4 6 Kết quả đo tại các vị trí xác định trên bề mặt mẫu 112 Bảng 4 7 Phân tích ANOVA các thông số ảnh hưởng tới tạo hình bề mặt 113 Bảng 4 8 Điểm điều khiển mảnh mặt lõm 123

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Hiệu chỉnh đường tròn 9

Hình 1 2 Thiết kế có sử dụng đường tự do NURBS 9

Hình 1 3 Hiệu chỉnh mặt trụ thường và mặt trụ biểu diễn dạng tự do 10

Hình 1 4 Ứng dụng NURBS trong thiết kế 10

Hình 1 5 Mô tả nội suy tuyến tính và cung trên hệ máy CNC 11

Hình 1 6 Nội suy NURBS trên các hệ CNC 12

Hình 1 7 Nội suy tuyến tính và nội suy NURBS khi gia công mặt tự do 13

Hình 1 8 Một ứng dụng mặt tự do trong khuôn 14

Hình 1 9 Khảo sát thời gian gia công thô, tinh, đánh bóng khi gia công khuôn 15

Hình 1 10 Mô hình hình học dao phay ngón tổng quát 16

Hình 1 11 Các dạng dao phay ngón cơ bản 17

Hình 1 12 Dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do 18

Hình 1 13 Sự khác biệt giữa vùng lồi, vùng lõm và vùng phẳng khi gia công 19

Hình 1 14 Đường cắt và cắt lẹm 20

Hình 1 15 Gia công mặt tự do trên máy 5 trục 21

Hình 1 16 Đường dụng cụ 21

Hình 1 17 Một số thuật ngữ về đường dụng cụ khi gia công trên máy phay CNC 23

Hình 1 18 Một số kiểu đường dụng cụ cơ bản trong Catia V5R20 26

Hình 1 19 Các thông số quan trọng khi gia công mặt tự do 28

Hình 1 20 Chiều cao nhấp nhô để lại sau khi gia công tinh bằng dao phay đầu cầu 28

Hình 1 21 Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm tiếp xúc

(CC-point) 29

Hình 1 22 Sai số hình học khi gia công mặt 34

Hình 1 23 Phân cụm với 2 đường dẫn xoắn ốc [51] 35

Hình 1 24 Sơ đồ khối tiến trình nghiên cứu 37

Hình 2 1 Sơ đồ khối nội dung chương 2 39

Hình 2 2 Mô hình toán đường cong Bezier 41

Hình 2 3 Sơ đồ tính toán điểm của đường cong Bezier bậc 3 41

Hình 2 4 Sơ đồ tính điểm điều khiển của đường Bezier tổng quát 41

Hình 2 5 Thuật toán xây dựng công cụ thiết kế, hiệu chỉnh đường Bezier bậc n 42

Hình 2 6 Công cụ xây dựng đường cong Bezier 43

Hình 2 7 Biểu diễn đường đường cong Bezier 44

Hình 2 8 Kết quả thiết kế đường Bezier bậc 3 trên AutoCAD, Catia và Công cụ xây dựng đường Bezier bậc n 44

Hình 2 9 Các mặt cơ bản 48

Hình 2 10 Sự linh hoạt trong hiệu chỉnh của mặt tự do so với các mặt cơ bản 49

Hình 2 11 Mô hình mặt mặt Ferguson 50

Hình 2 12 Mảnh mặt Bezier bậc 4 50

Hình 2 13 a) Mô hình mặt kẻ b) Nội suy Taylor tuyến tính 51

Hình 2 14 Cấu trúc mảnh mặt Coons 52

Hình 2 15 Mặt mặt trượt 52

Hình 2 16 Mảnh mặt quay 53

Hình 2 17 Mảnh mặt tứ giác 53

Hình 2 18 Mảnh mặt B-spline 54

Hình 2 19 Sơ đồ thuật toán xây dựng công cụ thiết kế và hiệu chỉnh mặt tự do 58

Hình 2 20 Menu tùy chọn mặt 58

Hình 2 21 Biểu diễn mặt tự do 59

Hình 2 22 Sơ đồ thuật toán công cụ mô hình hóa file định dạng IGES 66

Hình 2 23 Giao diện công cụ mô hình hóa file định dạng IGES 67

Hình 2 24 Hiển thị mặt tự do từ file cấu trúc IGES 67

Hình 3 1 Các kiểu máy phay CNC thông dụng 70

Hình 3 2 Hướng dụng cụ khi gia công trên máy CNC 3 và 5 trục 71

Hình 3 3 Dụng cụ cắt có thể nghiêng để tránh cắt lẹm 71

Hình 3 4 Bán kính hiệu dụng của dụng cụ cắt 72

Hình 3 5 Quan hệ giữa góc nghiêng với bán kính hiệu dụng 72

Hình 3 6 Dụng cụ cắt có bán kính nhỏ không gây cắt lẹm 73

Hình 3 7 Lựa chọn dụng cụ tương ứng với độ cong bề mặt 73

Hình 3 8 Sơ đồ lựa chọn dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do 74

Hình 3 9 Sơ đồ khối lựa chọn dụng cụ phù hợp bề mặt 75

Hình 3 10 Biểu diễn bề mặt tự do 75

Hình 3 11 Phương và chiều véc tơ pháp tuyến của mặt 75

Hình 3 12 Độ cong Gauss và độ cong trung bình 77

Hình 3 13 Mặt tự do được phân vùng 78

Hình 3 14 Thuật toán phân vùng bề mặt tự do 78

Hình 3 15 Sơ đồ phân vùng bề mặt thành mảnh mặt dựa theo H và K 79

Hình 3 16 Thuật toán lựa chọn dụng cụ hợp lý 80

Hình 3 17 Mặt tự do có phân chia thành các mảnh cục bộ 81

Hình 3 18 Chuyển điểm 3D (x,y,z) sang không gian tham số 2D (u,v) 82

Hình 3 19 Ánh xạ điểm 3D sang 2D để xác định đường ranh giới 82

Hình 3 20 Ví dụ về cấu trúc tập dữ liệu điểm DP, DP1, DP2, DP3 83

Hình 3 21 Cấu trúc của các tập dữ liệu điểm 83

Hình 3 22 Quy tắc 4 và 8 điểm lân cận 84

Hình 3 23 Đường ranh giới của mảng 84

Hình 3 24 Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 4 điểm 85

Hình 3 25 Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 8 điểm 85

Hình 3 26 Thuật toán tạo đường ranh giới mảnh mặt 86

Hình 3 27 Các hàm sử dụng xác định kích thước dụng cụ hợp lý 87

Hình 3 28 Macro trên Excel kết nối với Catia V5R20 để xây dựng đường ranh giới từ tập điểm biên trích xuất từ IGES 88

Hình 3 29 Đường ranh giới của vùng bề mặt tự do cục bộ 89

Hình 3 30 Bản vẽ thiết kế phôi 89

Hình 3 31 Máy phay CNC Hamai 3VA 90

Hình 3 32 Dụng cụ cắt 90

Hình 3 33 Mô phỏng quá trình gia công 91

Hình 3 34 Gia công mẫu trên máy phay CNC Hamai 3VA 92

Hình 3 35 Thực hiện đo trên máy đo 3 tọa độ SVANEX 92

Hình 3 36.Điểm đo 92

Hình 3 37 Biểu đồ dữ liệu đo mặt tự do được gia công 94

Hình 3 38 Biểu đồ so sánh bề mặt theo 2 phương 95

Hình 3 39 Đường ranh giới xuất hiện trên bề mặt sau gia công 99

Hình 3 40 Gia công bề mặt theo cách 3 101

Hình 4 1 Sơ đồ khối các nội dung nghiên cứu trong chương 4 104

Hình 4 2 Sơ đồ khối xây dựng phương án đánh giá mức độ ảnh hưởng của đường dụng cụ tới độ chính xác tạo hình mặt tự do 105

Hình 4 3 Máy phay CNC 3 trục 107

Hình 4 4 Dụng cụ cắt 107

Hình 4 5 Máy đo 3 tọa độ SVA NEX9016 108

Hình 4 6 Thiết kế mẫu thực nghiệm 108

Hình 4 7 Kiểu đường dụng cụ thông dụng khi gia công mặt tự do 109 Hình 4 8 Sản phẩm gia công theo thí nghiệm trong mảng L9 112

Hình 4 9.Tỉ số S/N 113

Hình 4 10 Sơ đồ xây dựng phương án xác định dường dụng cụ hơp lý cho bề mặt tự do cấu trúc lõm 114

Hình 4 11 Hướng dụng cụ trong tọa độ Descartes 115

Hình 4 12 Gia công mặt cong lõm 116

Hình 4 13 Sơ đồ xác định bước tiến hợp lý St 117

Hình 4 14 Sơ đồ tính toán St 117

Hình 4 15 Sơ đồ tính toán khoảng offset đường dụng cụ hợp lý 119

Hình 4 16 Sơ đồ offset đường dẫn được chiếu lên mặt cong S(u,v) 120 Hình 4 17 Sơ đồ thuật toán sinh đường dụng cụ 122

Hình 4 18 Mô phỏng sinh đường dụng cụ cho vùng cục bộ lõm 123

Hình 4 19 Sơ đồ tính toán sai số xấp xỉ 124

Hướng nghiên cứu cải thiện phần cứng để nâng cao năng suất khi gia công trên máy phay CNC như: Nghiên cứu về kết cấu máy [2], [3]… Nghiên cứu ảnh hưởng của rung động [4]–[6]… Nghiên cứu về dụng cụ cắt khi gia công [7], [8]… Nghiên cứu cải thiện các vi mạch điều khiển

để cải thiện khả năng điều khiển của máy CNC… Kết quả của các công trình khoa học cũng như thực nghiệm theo hướng này đã đạt được nhiều thành công Các máy CNC càng ngày càng có kết cấu hoàn thiện, khả năng công nghệ được nâng cao Qua đó năng suất cũng như chất lượng sản phẩm khi gia công trên các máy CNC có những cải thiện đáng kể góp phần không nhỏ vào sự phát triển của ngành công nghiệp gia công nói chung và gia công trên máy tự động nói riêng

Hướng nghiên cứu cải thiện phần mềm thường là cải tiến về hệ điều hành (chứa các bộ nội suy sử dụng cho tính toán các đường dụng cụ và các thông số trong quá trình gia công cũng như cải thiện khả năng giao tiếp giữa các phần cứng trên máy CNC thông qua các trình điều khiển driver) Các phương pháp nội suy mà các máy CNC thường sử dụng là nội suy tuyến tính hoặc nội suy theo cung tròn [9] Ngày nay xu hướng nghiên cứu tập trung nhiều vào việc phát triển phần mềm để máy trở nên “thông minh” và “mạnh mẽ” hơn, Do đó các máy CNC ngày càng có tính linh hoạt, đáp ứng được nhiều yêu cầu gia công phức tạp hơn, đặc biệt là những chi tiết máy được thiết kế có chứa các bề mặt tự do

Sự phát triển của máy CNC và những ưu điểm của nó kéo theo các lĩnh vực phục vụ cho hệ máy này cũng phát triển không ngừng đó là CAD (Computer Aided Design – Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) và

CAM (Computer Aided Manufacturing – Gia công có sự hỗ trợ của máy tính) CAD hỗ trợ khâu thiết kế trở nên nhanh, dễ dàng và chính xác hơn, CAM hỗ trợ khâu gia công, giải phóng con người khỏi các tính toán với khối lượng phép tính lớn và phức tạp hơn bởi các công thức nội suy tích hợp Do vậy, lúc này năng suất cũng như độ chính xác khi chế tạo các sản phẩm có ứng dụng CAD/CAM/CNC không còn phụ thuộc hoàn toàn vào máy CNC nữa mà còn phụ thuộc cả vào các yếu tố khác nằm trong khâu thiết kế (có sử dụng CAD) và nằm trong khâu gia công (có sử dụng CAM) Hiện nay việc khai thác sử dụng các máy CNC cũng như các phần mềm CAD/CAM còn chưa hiệu quả, đặc biệt tại Việt Nam chủ yếu dựa trên các kinh nghiệm và các hướng dẫn sử dụng máy, dụng cụ của các hãng sản xuất

Ví dụ việc lựa chọn dụng cụ cắt thế nào là hợp lý, chiến lược dẫn dụng cụ phù hợp nhất đối với bề mặt, các thông số chế độ cắt lựa chọn thế nào cho hợp lý… cũng sẽ ảnh hưởng lớn tới năng suất, chất lượng tạo hình các chi tiết có chứa bề mặt phức tạp

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC trong sản xuất rất phổ biến không chỉ trên thế giới mà cả ở Việt Nam Do những ưu điểm mà công nghệ này mang lại nên các nghiên cứu về CAD/CAM/CNC luôn luôn được nhiều nhà khoa học quan tâm Hiện nay các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực CAD/CAM/CNC ở Việt Nam còn khá hạn chế Trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện năng suất, chất lượng sản phẩm khi gia công trên máy CNC Tuy nhiên những vấn

đề liên quan đến bề mặt cũng ít khi được đề cập trong các nghiên cứu này mà chủ yếu là các nghiên cứu về tính toán đường dụng cụ hoặc các chế độ cắt Trong quá trình nghiên cứu, NCS nhận thấy rằng vấn đề lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý khi gia công các chi tiết có chứa mặt tự do vừa có tính khoa học và cũng có tính thực tiễn rất cao,

có tiềm năng lớn để áp dụng vào thực tiễn sản xuất Được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn và hội đồng đánh giá đề cương đã được trình bày, NCS đã lựa chọn đề tài luận án:

“Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong tạo hình bề mặt

tự do trên máy phay CNC 3 trục”

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt

tự do trên máy CNC 3 trục nhằm đáp ứng được yêu cầu về độ chính

xác tạo hình bề mặt và giảm thời gian gia công so với phương pháp gia

công mặt tự do truyền thống

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Luận án nghiên cứu phương pháp lựa chọn kích thước dụng cụ cắt

và đường dụng cụ phù hợp khi gia công bề mặt tự do trơn trên máy

CNC 3 trục Để thực hiện nghiên cứu đối tượng đã đề ra, luận án đã

được phân chia thành các nội dung sau:

- Nghiên cứu về phương pháp biểu diễn toán học đường và mặt tự

do

- Nghiên cứu phương pháp tách một mặt tự do trơn thành các

mảnh mặt tự do cục bộ dựa trên độ cong Gaussian (K) và độ

cong trung bình (H), Thông qua bước tách mặt tự do trơn thành

các mảnh mặt tự do cục bộ để xây dựng thuật toán và chương

trình tính toán kích thước dụng cụ phù hợp nhất đối với từng

phân vùng cục bộ sao cho đảm bảo độ chính xác tạo hình đối

với từng mảnh mặt cục bộ đó và rút ngắn thời gian gia công Qua

đó sẽ lựa chọn các dụng cụ phù hợp để gia công một mặt tự do

trơn (là mặt đơn hoặc mặt tự do trơn tập hợp từ một số mảnh

mặt)

- Nghiên cứu xây dựng đường ranh giới của từng mảnh mặt cục bộ

nếu một mặt cong trơn được cấu thành từ nhiều hơn một mảnh

mặt cục bộ (Mục đích của việc xác định đường ranh giới của

mảnh mặt cục bộ để giới hạn vùng dụng cụ thực hiện chiến lược

Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau:

- Quá trình gia công mặt tự do được thực hiện trên máy phay CNC

3 trục với dụng cụ cắt không thay đổi hướng trên toàn bộ quỹ

đạo di chuyển trên bề mặt

- Dụng cụ cắt sử dụng trong gia công là dụng cụ tiêu chuẩn

- Vật liệu mẫu có độ cứng thấp để việc nghiên cứu tạo hình ít bị

ảnh hưởng bởi các yếu tố về lực cắt và nhiệt qua đó có thể làm

kết quả nghiên cứu bị sai lệch

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với

mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng, đánh giá kết quả Cụ thể như sau:

- Nghiên cứu các mô hình biểu diễn toán học đường, mặt tự do, các phép tính và thuật toán liên quan đến mặt tự do phục vụ cho đối tượng nghiên cứu trong luận án

- Xây dựng các chương trình trên Matlab2014b để mô phỏng, tính toán các nội dung liên quan trong luận án Thiết kế các mẫu thực nghiệm trên CATIA V5R20, mô phỏng quá trình gia công để kiểm chứng phần tính toán lý thuyết

- Xây dựng các mô hình thực nghiệm gia công trên máy phay CNC

3 trục và đo đạc các thông số trên máy đo 3 tọa độ Xử lý số liệu

và đánh giá kết quả lý thuyết và mô phỏng đã thực hiện trong luận án

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

- Phân tích được cấu trúc đường tự do, mặt tự do, cấu trúc file IGES trong biểu diễn đường tự do trong hệ thống CAD/CAM nhằm đưa ra giải pháp phân chia đường bao giới hạn các vùng

bề mặt cục bộ theo các tiêu chí chọn trước

- Xây dựng các chương trình máy tính biểu diễn đường tự do, mặt

- Đề xuất được một phương pháp xác định đường dụng cụ mới cho bề mặt cong tự do cấu trúc lõm dựa trên độ cong cục bộ của vùng bề mặt và chiều cao lượng dư để lại giới hạn

- Phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý khi gia công các mặt

tự do thông qua việc phân vùng bề mặt trơn thành các vùng bề mặt cục bộ có ý nghĩa quan trọng đối với việc nâng cao năng suất và chất lượng tạo hình sản phẩm có chứa bề mặt tự do khi gia công trên máy CNC 3 trục Các thuật toán và chương trình máy tính đã được xây dựng để thực hiện phương pháp lựa chọn dụng cụ hợp lý khi gia công tạo hình các bề mặt tự do Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo khuôn mẫu

- Giải pháp sinh đường dụng cụ để gia công bề mặt tự do cấu trúc lõm đảm bảo được độ chính xác tạo hình bề mặt theo yêu cầu và nâng cao năng suất gia công

5 Những kết quả đạt được và đóng góp mới của luận án

- Đã hệ thống hóa được các mô hình toán của đường và mặt tự do, xây dựng các công cụ biểu diễn đường cong, mặt cong, định dạng file IGES để hiểu phương pháp xây dựng đường, mặt tự do trên các hệ thống CAD/CAM thương mại

- Đã phân tích, đánh giá được các phương pháp gia công mặt tự

do, chỉ ra được những ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp trong việc đảm bảo chất lượng bề mặt cũng như năng suất gia công các chi tiết có chứa mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục

- Đề xuất phương pháp lựa chọn kích thước dụng cụ hợp lý khi gia công tạo hình mặt tự do dựa trên giải pháp phân vùng bề mặt, xác định được ranh giới vùng cục bộ để thực hiện đường dụng cụ hợp lý Thực nghiệm gia công kiểm chứng giải pháp đề xuất so với phương pháp gia công truyền thống

- Đã xây dựng mô hình thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của dụng cụ và đường dụng cụ tới chất lượng tạo hình mặt tự do, từ

đó có phương án lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý trong gia công các chi tiết máy có chứa bề mặt tự do

- Đề xuất được một phương pháp mới sinh đường dụng cụ khi gia công mặt tự do cấu trúc lõm trên máy phay CNC 3 trục

Chương 2: Phương pháp biểu diễn đường và mặt tự do trong các hệ thống CAD/CAM

Chương 3: Xây dựng phương pháp lựa chọn dụng cụ hợp lý trong gia công tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục

Chương 4: Xây dựng phương pháp lựa chọn đường dụng cụ hợp lý trong gia công tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục

Phần cuối cùng là Kết luận và Kiến nghị sẽ tổng kết các kết quả nghiên cứu của luận án và đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO

1.1 Mặt tự do và ứng dụng của mặt tự do

1.1.1 Giới thiệu

Mặt tự do (freeform surface hoặc freeform surfacing hoặc sculpture surface) là thuật ngữ sử dụng chỉ các bề mặt cong trơn, liên tục sử dụng trong CAD (Computer Aided Design) và các phần mềm đồ họa máy tính khác để mô tả các phần tử hình học 3D Các mặt dạng tự do không có kích thước xuyên tâm cứng nhắc [10], không giống các bề mặt thông thường (mặt phẳng, mặt trụ, mặt cầu…) Các dạng biểu diễn mặt tự do phổ biến như Bezier, B-spline, NURBS (Non Uniform Ration B-spline) [11]…, ngoài ra cũng có thể có các phương pháp biểu diễn khác như Coons [12] hay Gordon [13]

Ngày nay mặt tự do đã được ứng dụng trong hầu hết các hệ thống CAD/CAM (CAM = Computer Aided Manufacturing) và ứng dụng máy tính hỗ trợ phân tích sản phẩm CAE (Computer Aided Engineering) vì tính linh hoạt và độ chính xác cao trong biểu diễn các dạng bề mặt 3D phức tạp Các bề mặt dạng tự do rất thích hợp để biểu diễn bề mặt như: bề mặt lòng khuôn, bề mặt cánh tua bin, cánh máy bay, vỏ xe hơi,

vỏ tàu – thuyền, tái tạo những sản phẩm phục vụ cho y học như xương giả hoặc các bộ phận cơ thể giả đạt được độ chính xác tốt

1.1.2 Lịch sử phát triển

Trước khi có sự xuất hiện máy tính cũng như những ứng dụng tính toán, thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính được đưa vào ngành công nghiệp cơ khí, các thiết kế được vẽ phác thảo bằng tay trên giấy sau đó được tinh chỉnh lại để thành bản thiết kế hoàn chỉnh với các công cụ khác nhau Trong đó, thước kẻ được sử dụng để tạo ra các đường thẳng, compa sử dụng cho việc tạo ra các cung tròn, đường tròn, thước góc dành cho thiết kế các góc [14]… Quá trình này đã được các nhà thiết kế sử dụng một cách thành thục và được các nhà giáo dục đưa vào giảng dạy trong một thời gian dài Tuy nhiên với sự phát triển liên tục của các ngành khoa học đã đòi hỏi các thiết kế phải vượt lên một tầm cao mới để phù hợp với tư duy cũng như yêu cầu của thiết kế hiện đại mà các phương pháp truyền thống sẽ gặp khó khăn như: Các đường cong tạo lên bề mặt cong của mũi tàu, cánh máy bay, thân máy bay, thân xe ô tô, Do đó trong các thế kỉ 18, 19 và những năm đầu của thế kỉ 20 hầu hết các chi tiết trên được thiết kế dưới dạng đường thẳng hoặc đường cong cơ bản không phức tạp do dễ thiết kế, dễ chế tạo chính xác Nhưng điều này làm giảm hiệu quả của máy móc do

hình dáng của các thiết kế này gây nhiều sức cản và một điểm khá quan trọng nữa đó là thẩm mĩ của các thiết kế này không cao.

Năm 1946 các nhà toán học bắt đầu nghiên cứu hình dạng đường spline và rút ra công thức biểu diễn hàm spline hay đường cong spline [15] Mặt NURBS được phát triển từ công trình của Pierre Bezier gồm đường và mặt cong Bezier vào cuối những năm 1960 đầu những năm

1970 của thế kỉ trước [16] Bởi tính linh hoạt và sức mạnh biểu diễn đường và mặt của chúng nên quá trình nghiên cứu phát triển tiếp ngay sau đó là các đường và mặt cong B-spline Các đường và mặt cong hữu

tỉ và vô tỉ B-spline còn tăng thêm độ linh hoạt hơn nữa Đặc biệt quan trọng là khả năng biểu diễn chính xác các đối tượng của mặt NURBS

Do đó, với NURBS hoàn toàn có thể lựa chọn là một phương pháp duy nhất biểu diễn một loạt các đường, mặt (từ đơn giản như đường thẳng cho đến các đường cơ bản như đường tròn, hay các mặt như mặt cầu, mặt nón… một cách chính xác Hơn nữa, NURBS cũng cho phép biểu diễn bề mặt tổng quát Đặc điểm này của NURBS khiến nó có thể dễ dàng biểu diễn các bề mặt phức tạp như bề mặt vỏ ô tô, vỏ, cánh máy bay, tàu, khuôn giày dép, chai nước hoặc các nhân vật hoạt hình Năm 1989 lần đầu tiên các dạng đường cong và mặt cong NURBS được thương mại hóa trên các máy tính trạm Ngày nay, hầu hết các ứng dụng đồ họa máy tính chuyên nghiệp đều tích hợp công cụ NURBS dưới các dạng chuyên biệt Ngày nay NURBS được sử dụng như là tiêu chuẩn trong phần lớn các hệ thống CAD/CAM hoặc đồ họa tương tác

1.1.3 Ứng dụng đường, mặt tự do

1.1.3.1 Ứng dụng đường, mặt tự do trong thiết kế

Trong thiết kế các đường hoặc mặt trong chi tiết máy, việc phải hiệu chỉnh trong quá trình thiết kế là công việc thường xuyên Tuy nhiên, nếu như sử dụng các đường hoặc mặt cơ bản (đường thẳng, đường tròn, hypecbol… hay mặt trụ, mặt cầu, mặt nón…) thì việc hiệu chỉnh thường là thay đổi kích thước trên toàn bộ đường (Hình 1 1), mặt (Hình 1 3a) Trong trường hợp này việc hiệu chỉnh thường là phải xén tỉa dần bằng các lệnh cắt (trim trong AutoCad, module Sketcher của Catia, hay Split trong module Part, Shape… của Catia)

Quá trình thiết kế như vậy sẽ tương đối tốn thời gian và bề mặt chi tiết tạo ra không phải là một bề mặt trơn hoàn hảo mà chỉ là bề mặt được chắp vá bởi các mảnh mặt nhỏ hơn

Điều này, khiến cho bề mặt thiết kế không được trơn tự nhiên, kết quả của thiết kế không chỉ gây ảnh hưởng tới thẩm mĩ của chi tiết mà còn không đạt được các yêu cầu kỹ thuật khắt khe đối với một số dạng

bề mặt hoạt động trong môi trường khí động học hoặc môi trường khắc nghiệt Khi sử dụng đường tự do việc hiệu chỉnh này trở nên linh hoạt hơn rất nhiều Trên Hình 1 2a là một đường cong dạng tự do được tạo bởi 10 điểm điều khiển, khi cần hiệu chỉnh một phần mà không ảnh hưởng đến những phần trước đó thì người thiết kế chỉ cần hiệu chỉnh một phần để thu được các thiết kế mong muốn (Hình 1 2b) Cũng tương tự như vậy, đối với các mặt cong được biểu diễn dưới dạng mặt

tự do cũng hoàn toàn có thể lựa chọn hiệu chỉnh từng vùng cục bộ một cách rất linh hoạt mà không ảnh hưởng đến những vùng khác (xem Hình 1 3b) Điều này làm giảm thời gian cũng như rất linh hoạt trong thiết kế Đây là một ưu điểm lớn của việc sử dụng các đường cong tự

do trong thiết kế Ngày nay hầu hết các hệ thống CAD của các hãng khác nhau đã tích hợp module này để tăng sức mạnh cho phần mềm của mình, qua đó không bị hụt hơi trong các cuộc đua dành thị phần đối với các doanh nghiệp sử dụng phần mềm

b)

Vùng giữ nguyên

Vùng hiệu chỉnh

a)

Hình 1 2 Thiết kế có sử dụng đường tự do NURBS

a) Đường cong tự do; b) Hiệu chỉnh cục bộ đường cong tự do

Hiệu chỉnh trên toàn bộ đường cong

Hình 1 1 Hiệu chỉnh đường tròn

Do những ưu điểm của đường và mặt NURBS nên chúng đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: ngành công nghiệp từ công nghiệp đồ họa, games, làm phim hoạt hình (thiết kế các nhân vật với

bề mặt trơn láng), thiết kế ô tô, tàu thủy, máy bay, tàu vũ trụ, kiến trúc…

1.1.3.2 Ứng dụng đường, mặt tự do trong gia công

Trong gia công trên máy CNC việc gia công các đường biên dạng hoặc mặt cong xảy ra thường xuyên Khi gia công những đường hoặc mặt này thường dụng cụ sẽ được dẫn theo đường dẫn (gọi là đường dụng cụ hay tool path) Các đường dụng cụ này trên hệ điều khiển NC thường được nội suy tuyến tính (G01) hoặc nội suy theo cung (G02 hoặc G03) [17](Hình 1 5)

Hình 1 4 Ứng dụng NURBS trong thiết kế

a) Ứng dụng NURBS trong tạo hình nhân vật hoạt hình; b) Ứng dụng NURBS trong thiết kế vỏ ô tô; c) Ứng dụng NURBS trong kiến trúc

Lưới điểm điều khiển

Thay đổi toàn bộ bề mặt Thay đổi vùng cục bộ bề mặt

Hình 1 3 Hiệu chỉnh mặt trụ thường và mặt trụ biểu diễn dạng tự do

a) Mặt trụ cơ bản; b) Mặt trụ dạng tự do

Trên các hệ máy CNC thường các trục chuyển động mang dụng cụ (hoặc phơi) đến các vị trí gia cơng để tạo ra các đường hoặc mặt mong muốn Các chuyển động trên máy CNC thường chia thành hai dạng gồm dạng điểm đến điểm (point to point) và chuyển động nội suy theo quỹ đạo Trên Hình 1 5a để di chuyển theo đường chéo từ điểm A đến điểm B thì hệ điều hành của máy CNC sẽ thực hiện phối hợp tốc độ của trục chính theo hai hướng X và Y hoặc cĩ thể ngắt nhỏ chuyển động này ra thành các chuyển động theo đoạn thẳng ngắn Điều này vừa cĩ lợi vừa cĩ những bất lợi nhất định Điểm lợi dễ nhận thấy nhất

đĩ là các hệ thống tích hợp bộ nội suy chỉ cần tính tốn đơn giản, cịn điểm bất lợi đĩ là nếu những đường hoặc bề mặt phức tạp sẽ dẫn đến phép tính tốn cĩ số lượng lớn Do vậy bộ nhớ của các hệ thống CAM phải lớn, các chương trình NC code được xuất ra với lượng câu lệnh lớn Đơi khi kích thước các chương trình NC lớn vượt quá khả năng lưu trữ của bộ nhớ trên hệ điều hành máy CNC do đĩ phải tách thành một

số chương trình nhỏ hơn hoặc lưu chương trình ra bộ nhớ ngồi sử dụng giao tiếp trực tiếp với máy tính để truyền trực tiếp vào máy CNC Điều này cĩ thể giải quyết được hạn chế về bộ nhớ, tuy nhiên cĩ một phần nhỏ trường hợp cũng xảy ra lỗi truyền dữ liệu hoặc khơng khớp thời điểm truyền tải dữ liệu gây ảnh hưởng lên bề mặt chi tiết khi gia cơng Điểm lợi thứ hai là nội suy NURBS cho biên dạng chính xác hơn

so với nội suy tuyến tính Trên Hình 1 6 biểu diễn sai lệch khi nội suy tuyến tính so với nội suy NURBS

Nếu như gia cơng 2D việc khối lượng tính tốn khi nội suy tuyến tính đã cĩ khối lượng lớn thì trong gia cơng 3D việc này được nhân lên gấp nhiều lần, bởi các thơng số tính tốn của bề mặt là lớn Hơn nữa,

độ chính xác khi gia cơng bề mặt cĩ sử dụng nội suy NURBS cũng cao hơn khá nhiều so với nội suy tuyến tính

Đường thẳng

Đường xấp xỉ

CungĐường xấp xỉ

Hình 1 5 Mơ tả nội suy tuyến tính và cung trên hệ máy CNC

a) Nội suy tuyến tính; b) Nội suy cung

Do vậy cĩ một số nghiên cứu nhằm cải thiện vấn đề này bằng cách ứng dụng NURBS trong nội suy nhằm thay thế nội suy đường hoặc cung so với các phương pháp truyền thống [18]–[21] cĩ tính khoa học cũng như ứng dụng rất cao Việc ứng dụng NURBS trong nội suy biên dạng trên các hệ điều khiển CNC sẽ cĩ một số ưu điểm như:

- Một đoạn đường cong tự do cĩ thể thay thế cho nhiều đoạn thẳng trong nội suy tuyến tính Do vậy, kích thước chương trình

NC sẽ giảm đi nhiều Điều này khá tốt cho những hệ điều khiển

cĩ bộ nhớ nhỏ

- Khi dẫn dụng cụ nội suy theo đường NURBS thì dụng cụ cắt sẽ

di chuyển trơn do đĩ ít cĩ hiện tượng suy giảm tốc độ hơn tại các điểm đầu và cuối của mỗi bước nội suy Điều này sẽ rất phù hợp nếu như áp dụng cho gia cơng phay tốc độ cao (High Speed Milling - HSM) đang là một lĩnh vực cĩ tính ứng dụng rất cao hiện nay

- Đối với chương trình NC sử dụng nội suy NURBS người vận hành cĩ thể nhận biết được chuyển động của dụng cụ ở vị trí thực tương ứng với đoạn nào trên đường nội suy, nên thuận lợi cho việc giám sát (thực tế thì điều này nội suy tuyến tính cũng cĩ thể thực hiện được, nhưng do số lượng điểm dẫn dao quá nhiều khiến cho việc kiểm sốt khĩ hơn)

- Thời gian gia cơng được rút ngắn do khơng bị mất tốc độ dẫn dụng cụ tại các điểm đầu và cuối với từng đoạn nội suy như đối với nội suy tuyến tính

Hình 1 6 Nội suy NURBS trên các hệ CNC

P1

P2

P3

đường gốc

đường dụng cụ tuyến tính

dải dung sai

Sai số

1.2 Quá trình gia công tạo hình bề mặt tự do

Quá trình gia công các chi tiết có chứa mặt tự do nói chung hoặc các bề mặt khuôn mẫu nói riêng thường trải qua ba giai đoạn (hay ba bước): Giai đoạn gia công thô; giai đoạn gia công tinh và cuối cùng là

giai đoạn nguội (hay còn được gọi là đánh bóng để sửa các sai sót lần cuối) Các giai đoạn gia công cụ thể như sau: [22]

Giai đoạn gia công thô: Tại giai đoạn này các nhà công nghệ thường mong muốn lượng dư kim loại trên bề mặt được hớt bỏ càng nhiều càng tốt Do đó tại giai đoạn này độ cứng vững của máy móc và dụng

cụ cắt cần phải lớn Dụng cụ cắt có thể lựa chọn là dao phay đầu phẳng, thậm chí là dao phay đĩa, dao gắn chip… Các chế độ cắt (s, v, t)

có thể lựa chọn lớn (trong phạm vi cho phép của máy móc và vật liệu)

Giai đoạn gia công tinh: Ở giai đoạn này lượng kim loại hớt bỏ rất

ít, chi tiết, dụng cụ và máy không chịu lực cắt lớn Sau bước gia công tinh sẽ đến bước gia công nguội (đánh bóng) để sửa lại bề mặt của lòng khuôn Do đó tại bước này chất lượng bề mặt được đánh giá là quan trọng Nếu chất lượng bề mặt trong giai đoạn này tốt thì sẽ rút ngắn được giai đoạn đánh bóng sau này

Giai đoạn gia công nguội (đánh bóng): Sau bước gia công tinh (bước 2) sẽ còn một phần kim loại để lại trên bề mặt của chi tiết (cusp) Bước gia công nguội có nhiệm vụ xóa bỏ phần kim loại để lại này để có được

bề mặt chi tiết máy tốt nhất

Ngày nay, các sản phẩm được chế tạo bằng các phương pháp đúc, rèn dập… có sử dụng khuôn ngày càng trở nên phổ biến vì có thể tạo

ra sản phẩm hoặc phôi nhanh chóng và tương đối chính xác Việc sản xuất khuôn có ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian chế tạo sản phẩm cũng

Hình 1 7 Nội suy tuyến tính và nội suy NURBS khi gia công mặt tự do

a) Nội suy tuyến tính; b) Nội suy NURBS

như chi phí và chất lượng sản phẩm của khá nhiều ngành sản xuất như: Sản xuất các sản phẩm nhựa, sản xuất các chi tiết dạng vỏ… trong đó quá trình phay tạo hình là quá trình quan trọng nhất Ngay cả khi một số kỹ thuật tiên tiến được áp dụng như phay tốc độ cao giúp cải thiện chất lượng bề mặt Ngày nay, việc tích hợp các module hỗ trợ gia công mặt tự do trên các phần mềm CAM gần như là tất yếu Tuy nhiên người dùng vẫn phải có những bí quyết riêng để lựa chọn chiến lược gia công theo độ phức tạp hình học của bề mặt chi tiết, loại dụng

cụ và kích thước dụng cụ, đường dụng cụ [23]

Theo P Fallbohmer cùng cộng sự [22] đã khảo sát quá trình sản xuất khuôn của ba quốc gia có nền công nghiệp chế tạo phát triển mạnh là Mỹ, Đức và Nhật Bản cho thấy rằng tổng thời gian gia công tinh (gồm gia công tinh và đánh bóng) chiếm khoảng 78% tổng thời gian chế tạo các mặt trong khuôn (Hình 1 9a) Trong nội dung của luận án tác giả cũng khảo sát thực tế tại xưởng cơ khí của nhà máy nhựa Tiền Phong (Hải Phòng) Số lượng khảo sát 10 mẫu khuôn có bề mặt khác nhau, thu thập dữ liệu về thời gian gia công thu được kết quả trung bình như sau:

- Thời gian gia công thô trung bình chiếm khoảng 30% tổng thời gian gia công bề mặt lòng khuôn

Hình 1 8 Một ứng dụng mặt tự do trong khuôn

- Thời gian gia công tinh trung bình chiếm khoảng 35% tổng thời gian gia công bề mặt lòng khuôn

- Thời gian gia công nguội trung bình chiếm khoảng 35% tổng thời gian gia công bề mặt lòng khuôn

Như vậy, thời gian gia công tinh và nguội chiếm khoảng 70% tổng thời gian gia công mặt khuôn Có sự chênh lệch nhẹ này là do điều khiển sản xuất cũng như thống kê các dạng bề mặt khác nhau Tuy nhiên kết quả chỉ ra rằng việc gia công tinh các bề mặt khuôn chứa các

bề mặt tự do thường rất tốn thời gian, khiến cho năng suất thấp

Trong nội dung của luận án này vấn đề lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý trong tạo hình mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục chính là nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý trong gia công tinh các bề mặt tự do nhằm giảm được thời gian gia công mà giữ được sai số tạo hình nằm trong một giá trị cho phép so với phương pháp chế tạo truyền thống

1.3 Dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt tự do

1.3.1 Kiểu dụng cụ sử dụng trong gia công mặt tự do

Bản chất của quá trình gia công bề mặt nói chung và gia công mặt

tự do nói riêng là sử dụng dụng cụ cắt để bóc đi một lớp vật liệu trên phôi để tạo ra chi tiết mong muốn Trong quá trình gia công tinh các

bề mặt, dụng cụ cắt đã chứng tỏ được sự hiệu quả đó là dao phay ngón đầu chỏm cầu Tuy nhiên, mô hình tổng quát ban đầu của các dạng dao phay này không phải là những dạng đơn giản như mặt phẳng (Flat End Mill) hay dạng mặt cầu (Ball end Mill) mà có dạng phức tạp Các

Hình 1 9 Khảo sát thời gian gia công thô, tinh, đánh bóng khi gia công

hệ thống APT và CAD/CAM định nghĩa hình bao ngoài của dụng cụ cắt bằng bảy thông số hình học sau: D, R, Rr, Rz, , , h (Hình 1 10)

Mô hình tham số tổng quát này có thể chi tiết hóa ra nhiều dạng dao phay ngón mặt đầu và dạng xoắn vít thường dùng trong công nghiệp (Hình 1 10) 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 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 ba thành phần lực cắt vi phân (dFa, dFr, dFt ) tại điểm cắt trên lưỡi cắt (ví dụ như ở điểm P trên Hình 1 10) 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 10)

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 đầu mũi dao Các tọa độ điểm P được xác định bởi vector r(z) trong hệ tọa độ trụ

Hình bao của dao phay ngón được chia làm ba vùng OM, MN và NS (Hình 1 10) Bán kính dao tại ba vùng này được tính toán theo (3.2) [24]

 2 2

( )

tan( )

( ) tan , u (1 tan tan )

r L

Z





Tuy nhiên, trong thực tế gia công bề mặt của dụng cụ đã được tiêu chuẩn hóa thành các dạng đường thẳng và cung tròn để có thể dễ chế tạo cũng như tiêu chuẩn hóa Năm dạng dụng cụ thường sử dụng khi phay tinh có hình dáng hình học được mô tả trên Hình 1 11

1.3.1.1 Dao phay ngón đầu phẳng

Dao phay ngón đầu phẳng (Hình 1 11a) có khả năng lấy đi lượng

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

1.3.1.2 Dao phay ngón đầu cầu

Dao phay ngón đầu cầu (Hình 1 11 c, d, e) có khả năng lấy đi lượng dư lớn nhất khi gia công các bề mặt cong, về lý thuyết nếu bán kính cong của mọi điểm trên bề mặt mà lớn hơn bán kính cong của đầu dao thì sẽ lấy đi được hết lượng dư Khi gia công mặt phẳng thì dao phay đầu cầu để lại phần lượng dư giữa các đường chạy dao Về mặt gia công thì dao đầu cầu có đặc điểm là vận tốc cắt biến thiên từ vận tốc cắt cực đại về giá trị không tại tâm dao, do đó tại vùng lân cận tâm dao vật liệu phôi không phải bị cắt gọt mà bị phá hủy do biến dạng, chính vì vậy chất lượng bề mặt không cao Do những đặc điểm trên, dao phay đầu cầu chỉ được dùng trong bước gia công tinh bề mặt

1.3.1.3 Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn

Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn (Hình 1 11b) có khả năng lấy đi lượng dư lớn nhất khi gia công các bề mặt cong, về lý thuyết nếu

Hình 1 11 Các dạng dao phay ngón cơ bản

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

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

e Dao phay ngón đầu cầu

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 gia công thì dao đầu phẳng có góc lượn sở hữu được cả ưu điểm của dao phay đầu phẳng và dao phay đầu chỏm cầu Đó là vừa có thể

sử dụng để gia công thô các bề mặt tương tự như đối với dao phay đầu phẳng vừa có thể gia công mặt cong bằng phần góc lượn (nghiêng dao) như đối với dao phay đầu chỏm cầu

1.3.1.4 Dao phay ngón thân côn

Dao phay ngón thân côn (Hình 1 11c) khi gia công những bề mặt lên, xuống dốc, có hốc sâu thì các dao thân côn rất phù hợp, về mặt tạo hình và chế độ cắt chúng mang các đặc điểm như các loại dao cơ bản trên nhưng về mặt sức bền thân dao thì tốt hơn vì khi gia công sâu yêu cầu thân dao phải dài

Giai đoạn gia công thô, do không yêu cầu gì về độ chính xác bề mặt nên lượng kim loại cần loại bỏ thường lớn Trong trường hợp này dụng

cụ cắt thường được chọn là dao phay ngón đầu phẳng, dao phay ngón đầu vê tròn [25][26], hoặc đôi khi chi tiết lớn có thể sử dụng dao gắn chip… Điều này vừa để nâng cao độ cứng vững của dụng cụ nhằm hớt

bỏ được lượng dư nhiều hơn sau mỗi lượt ăn dao, do vậy có khả rút ngắn được thời gian gia công và nâng cao năng suất chế tạo sản phẩm (Hình 1 12a)

Giai đoạn gia công tinh yêu cầu về chất lượng bề mặt cao nên lượng kim loại hớt bỏ sau mỗi lượt gia công thấp, bước dịch dao ngang (step

Dao đầu phẳng

Phần còn lại sau gia công thô Mặt phẳng cắt

Bề mặt chi tiết

Dao đầu cầu

Hướng dao Dung sai

gia công tinh

Bề mặt chi tiết

Hình 1 12 Dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do

a) Dụng cụ cắt đầu phẳng khi gia công thô; b) Dụng cụ cắt đầu cầu khi gia công tinh

Phần còn lại sau gia công thô

over) nhỏ… mục đích để tạo ra bề mặt có chất lượng tốt (scallop height nhỏ) Trong quá trình gia công tinh bề mặt dụng cụ cắt thường được lựa chọn là các dao phay ngón đầu chỏm cầu bởi vì độ chính xác tạo hình mà dao phay đầu chỏm cầu mang lại (Hình 1 12b)

Sau khi chi tiết được gia công tinh bởi dao phay đầu cầu, trên bề mặt của chi tiết còn tồn tại các phần kim loại để lại (scallop height) Để loại bỏ những phần này thì cần phải trải qua quá trình gia công nguội (đánh bóng) Do đó thời gian gia công thô thường ngắn, thời gian gia công tinh và thời gian nguội thường chiếm phần lớn quá trình gia công khuôn Do đó muốn nâng cao năng suất quá trình gia công bề mặt các chi tiết khuôn thường quan tâm đến bước 2 đó là bước gia công tinh bề mặt Điều này cho thấy rằng việc gia công tinh và đánh bóng các bề mặt

tự do chiếm phần lớn tổng thời gian hình thành lên một bộ khuôn thành phẩm Vì vậy, việc nghiên cứu gia công tinh mặt tự do là một nghiên cứu có tính khoa học và ứng dụng cao Hiện nay quá trình gia công các chi tiết có chứa mặt tự do thường được sử dụng trên các máy CNC 3 trục, 4 trục hoặc 5 trục và đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này

Khi gia công các chi tiết có chứa bề mặt tự do, hầu hết các nghiên cứu tập chung vào giải quyết ba dạng bề mặt chính đó là vùng lồi, vùng lõm và vùng phẳng (Hình 1 13) Vì trong quá trình gia công vùng lồi, vùng lõm nếu không có những lưu ý trong việc chọn dụng cụ hoặc đường dụng cụ có thể khiến bề mặt không chính xác, hoặc dẫn đến quá trình gia công mất nhiều thời gian Trên Hình 1 13b dụng cụ cắt

bị giới hạn bán kính để có thể ăn hết lượng dư vùng bề mặt lõm, trên

Hình 1 13 Sự khác biệt giữa vùng lồi, vùng lõm và vùng phẳng khi gia công

b)

c)

d) a)

Hình 1 13c bán kính dụng cụ không bị giới hạn khi gia công vùng phẳng, do đó có thể lựa chọn dụng cụ có kích thước lớn để giảm thời gian gia công, trên Hình 1 13d bán kính dụng cụ cũng không bị giới hạn, nhưng do độ dốc của mặt cong thì việc lựa chọn thông số đường dụng cụ để đảm bảo độ chính xác tạo hình là quan trọng

Khi gia công bề mặt tự do dạng lõm khả năng cắt lẹm do dụng cụ

ăn quá vào bề mặt chi tiết gia công rất dễ xảy ra (cụ thể hơn xem Hình

1 14), trong các hệ thống CAM có tính đến chuyện này và để tránh xảy

ra cắt lẹm thì sẽ còn lại một phần bề mặt không được gia công (sẽ phải sửa lại ở giai đoạn nguội để loại bỏ chúng) Có thể thấy rằng đây cũng

mở ra một trong những hướng nghiên cứu rất khả quan cho việc tối ưu hóa gia công mặt tự do Trên Hình 1 14 dễ dàng nhận thấy rằng nếu lựa chọn dụng cụ cắt có đường kính nhỏ (thể hiện trên Hình 1 14a là đường tròn đại diện có bán kính nhỏ), quá trình gia công không xảy ra hiện tượng cắt lẹm, nhưng thời gian gia công sẽ kéo dài Tuy nhiên nếu chọn dụng cụ có đường kính lớn để quá trình gia công nhanh hơn thì rất dễ xảy ra khả năng cắt lẹm một vùng nào đó của bề mặt tự do (xem Hình 1 14b)

Đối với việc gia công mặt tự do trên máy 5 trục phần nào có thể khắc phục được hiện tượng cắt lẹm bằng biện pháp giảm bán kính thực của dụng cụ thay bằng bán kính hiệu dụng bằng cách nghiêng dụng cụ cắt khi rơi vào vùng lõm có bán kính cong nhỏ hơn bán kính đầu chỏm cầu của dao (Hình 1 15) Do đó, có thể lựa chọn dụng cụ đầu phẳng hoặc đầu phẳng có bán kính vê tròn để gia công vì khi nghiêng đi thì

Cắt lẹm

bán kính hiệu dụng cắt lúc này có thể nhỏ hơn bán kính thực của dụng

cụ, do đó không gây ra cắt lẹm hoặc để lại phần thừa quá nhiều trên mặt tự do

Đối với gia công trên máy CNC 3 trục điều này là không thể thực hiện được Do vậy, dụng cụ thường được lựa chọn khi gia công tạo hình mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục khi gia công thô là dao phay đầu phẳng, khi gia công tinh là dao phay ngón đầu chỏm cầu

1.3.2 Đường dụng cụ khi gia công mặt tự do

1.3.2.1 Khái niệm

Đường dụng cụ là quỹ đạo mà một điểm trên dụng cụ được dẫn theo nó trong quá trình gia công Nếu nguyên công thực hiện là gia công thô thì đường dụng cụ sẽ dẫn dụng cụ lấy đi một lượng kim loại (gọi là lượng dư gia công), còn nếu là nguyên công gia công tinh thì đường dụng cụ sẽ dẫn dụng cụ thực hiện quá trình bao hình tạo thành

bề mặt của chi tiết [27]

1.3.2.2 Các kiểu đường dụng cụ cơ bản

Đường dụng cụ hiện nay được áp dụng trong các hệ thống CAD/CAM thương mại là kết quả của các công trình nghiên cứu nghiêm

Hình 1 15 Gia công mặt tự do trên máy 5 trục

Bề mặt

Dụng cụ

Mặt phẳng chuyển động

Đường dụng cụ

Điểm tạo hình

Hình 1 16 Đường dụng cụ

túc của các nhà khoa học Có thể mỗi một hệ thống CAD/CAM sử dụng các tên gọi khác nhau cho các kiểu đường dụng cụ tương tự nhau, nhưng phương pháp sinh đường dụng cụ là tương tự nhau Các đường dụng cụ ngày nay vẫn đang được “tiến hóa” thêm để ngày càng hoàn thiện Thống kê một số đường dụng cụ cơ bản trong Bảng 1 1

Bảng 1 1 Các đường dụng cụ cơ bản

1 Face Sử dụng để gia công thô hoặc tinh một phần

mặt của chi tiết

2 Contour Gia công kiểu lặp, vùng trũng (pocket) hở,

font chữ…

3 Chamfer Gia công vát các cạnh

5 Pocket Gia công thô, tinh các bề mặt dạng trũng

6 Slot Mill Gia công các khe, rãnh

8 Bore Tạo lỗ, thường lỗ lớn (lớn hơn 0,75 inches)

9 Thread Mill Gia công các lỗ ren đường kính lớn (lớn hơn

0,75 inches) Trong quá trình gia công, một số thuật ngữ về đường dụng cụ biểu diễn trên Hình 1 17 được thống kê theo Bảng 1 2

Bảng 1 2 Thuật ngữ cơ bản của đường dụng cụ trong gia công CNC

1 X, Y, and Z

allowance Lượng vật liệu còn lại trên bề mặt XY cần được loại bỏ trong bước gia công kế tiếp nó có thể

gọi là “Stock to Leave” nữa

2 Stepover Bước tiến ngang là khoảng cách giữa hai đường

dụng cụ cạnh nhau

3 Stepdown Là lượng vật liệu được loại bỏ theo chiều dọc

hoặc hướng trục với mỗi lượt dịch dao ngang

4 Top of Stock Chỉ định mặt trên cao nhất của phôi, được sử

dụng làm tham chiếu cho các quy trình gia công

5 Feed Height Là chiều cao dụng cụ định vị trước khi bắt đầu

gia công, thường đặt ở khoảng cách an toàn

6 Retract Height Là chiều cao của dụng cụ được nâng lên giữa

các lần chuyển đường dụng cụ tương tự Thường trong các hệ thống CAD/CAM sẽ sử dụng mặt an toàn (safe plane) để xác định chiều cao này

Kết hợp các dạng đường dụng cụ cơ bản trên Bảng 1 1 với các thông số trên Hình 1 17 có thể xuất hiện nhiều biến thể của các đường dụng cụ khác nhau Trong Hình 1 18 chỉ ra một số đường dụng

cụ trong Catia V5R20 Các hệ thống CAD/CAM khác cũng có thể có những đường dụng cụ dạng này với tên gọi khác hoặc các đường dụng

cụ dạng khác mang ý nghĩa độc quyền của hãng

Trên Hình 1 18 biểu diễn một số đường dụng cụ cơ bản trong Catia V5R20 như sau:

Hình 1 18a Kiểu One way next: đường dụng cụ luôn đi theo một hướng, khi kết thúc của một đường dẫn thì dụng cụ sẽ di chuyển chéo tới đầu của một đường dẫn tiếp theo (nhảy bước tiến ngang chéo)

7 Clearance Height Là chiều cao của dụng cụ di chuyển ở giữa các

bước gia công, thường chọn cao hơn mặt trên của phôi một khoảng 1.0 inches

8 Tool path

Centerline Là đường dụng cụ nằm đúng tâm của dụng cụ Trong trường hợp này cần phải chú ý tới thông

số đường kính dụng cụ để tránh gây va chạm với những vùng không cần gia công

9 Feed rate Tốc độ di chuyển bàn máy (lượng tiến dao dọc)

10 Cutting Feed Lượng ăn dao khi gia công (tốc độ cắt)

11 Prof-Stock-Allow Lượng dư để lại bề mặt bên

12

Bottom-Stock-Allow Lượng dư để lại mặt đáy

13 Scan-Type Kiểu quét dao

14 Clear-Dist Khoảng lùi dao

15 Spindle Speed Tốc độ quay trục chính

Hình 1 17 Một số thuật ngữ về đường dụng cụ khi gia công trên máy

phay CNC

Hướng dao

Chiều cao dao Chiều cao phần lưỡi cắt Mặt trên phôi

Mặt XY của phôi Mặt Z của phôi Bước tiến ngang

Phần cắt

Chiều sâu

ăn dao

Chiều cao phần lưỡi cắt Phần cắt