Một phương pháp thiết lập đường chạy dao gia công cho máy phay vạn năng CNC ba trục

Một phương pháp thiết lập đường chạy dao gia công cho máy phay vạn năng CNC ba trục

MỘT PHƯƠNG PHÁP THIẾT LẬP ĐƯỜNG

CHẠY DAO GIA CÔNG CHO MÁY PHAY VẠN NĂNG CNC BA TRỤC - ỨNG DỤNG VÀO LẬP TRÌNH GIA CÔNG BỀ MẶT RĂNG THÂN KHAI CỦA BÁNH RĂNG NÓN RĂNG THẲNG

A METHOD TO CONSTRUCT TOOL PATHS FOR 3-AXES CNC NIVERSAL MILLING MACHINE - APPLICATION TO

MANUFACTURE STRAIGHT EVEL GEARS’ INVOLUTE SURFACE

LÊ CUNG - BÙI MINH HIỂN

Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

TÓM TẮT

Bài báo giới thiệu một phương pháp thiết lập tự động các đường chạy dao theo yêu cầu công nghệ trên ngôn ngữ G-Code sử dụng cho máy phay CNC vạn năng

3 trục Phương pháp trình bày giúp thiết lập tự động các chương trình gia công theo mã lệnh G-Code nhằm gia công bề mặt phức tạp, ứng dụng cụ thể vào việc gia công bề mặt thân khai của bánh răng nón răng thẳng trên máy phay vạn năng CNC 3 trục

ABSTRACT

The article deals with a method to produce the tool paths for 3-axes universal CNC milling machines on G-Code language according to technological requires This method contributes to the automatic establishment of G-Code program in order to manufacture the complicated surfaces, for application in the manufacturing of involute surfaces in straight bevel gears

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, các máy phay CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong gia công cơ khí và cho phép gia công các bề mặt khá phức tạp với độ chính xác cao Việc gia công các

bề mặt phức tạp trên máy CNC vạn năng sử dụng phương pháp SSM (sculptured surface machining), bằng cách thực hiện các đường chạy dao bám theo bề mặt gia công

Để gia công các bề mặt thân khai của bánh răng, người ta thường sử dụng các máy CNC cũng như dụng cụ cắt chuyên dùng Việc sử dụng thiết bị chuyên dùng cho phép đạt

độ chính xác và năng suất cao Tuy nhiên, máy móc và dụng cụ cắt chuyên dụng khá đắt tiền, việc trang bị thiết bị nhưng không sử dụng hết năng suất, sẽ gây lãng phí lớn Với những xưởng sửa chữa nhỏ, chỉ trang bị máy phay vạn năng CNC 3 trục hoặc 3 ½ trục và vấn đề năng suất gia công không phải là chỉ tiêu hàng đầu thì phương pháp SSM tỏ ra có hiệu quả trong gia công bề mặt thân khai, nhất là trong các bánh răng có mođun lớn Ngoài ra, phương pháp SMM sử dụng trong gia công bề mặt thân khai của bánh răng cũng

có một số ưu điểm: sử dụng các loại dao cụ vạn năng, rẻ tiền; có thể gia công được các bề mặt thân khai trong một dải kích thước và chủng loại rộng rãi; có thể gia công được bề mặt thân khai của bánh răng có đường kính lớn đến rất lớn, bánh răng phi tiêu chuẩn, bánh răng được tối ưu hóa đường cong chân răng nhằm tăng độ bền uốn của răng…

Chính vì vậy, trong những năm gần đây, việc

nghiên cứu công nghệ gia công bề mặt thân khai trên các

máy vạn năng CNC 3 trục hoặc 3 ½ trục theo phương

pháp SMM được nhiều tác giả [1], [2], [3], [4] quan tâm

nghiên cứu

Để gia công bề mặt thân khai, cần thực hiện các

đường chạy dao phù hợp Hiện nay, các phần mềm

CAD/CAM/CNC như Pro/Engineering, Catia,

Hypermill đều cho phép thiết lập tự động các đường

chạy dao Tuy nhiên, các đường chạy dao có sẵn đôi khi

chưa thật sự phù hợp với yêu cầu của công nghệ Do vậy,

việc nghiên cứu phương pháp thiết lập các đường chạy

dao phù hợp, nhằm gia công các bề mặt phức tạp, ứng

dụng cụ thể vào việc gia công bề mặt thân khai của bánh

răng, thông qua việc lập chương trình theo tham số trên

mã lệnh G-Code, cũng cần được quan tâm

nghiên cứu Và đây cũng chính là mục tiêu

của bài báo này

Hình 1 : Đường chạy dao gia công bề mặt thân khai

Z

2 Phương pháp thiết lập đường chạy

dao theo ngôn ngữ G-Code để gia công

thứ j

Hình 2 : Mô hình bánh răng nón răng thẳng

Để thiết lập đường chạy dao gia

công một bề mặt phức tạp, trước hết cần

nghiên cứu hình học bề mặt, từ đó xây

dựng phương trình đường chạy dao bám

theo bề mặt gia công Bài báo chỉ giới hạn

ở việc thiết lập đường chạy dao để gia

công tinh bề mặt thân khai cầu trong bánh

răng nón răng thẳng

C A

j F

2.1 Mô hình bánh răng nón răng thẳng

và phương trình gia công bề mặt răng

Phương trình gia công bề mặt răng

thân khai trong bánh răng nón răng thẳng,

hay phương trình các đường chạy dao, dựa

trên phương trình đường thân khai vòng

tròn Hình 1 mô tả các đường chạy dao

phù hợp để gia công một răng của bánh

răng nón răng thẳng [2]

Để viết được phương trình gia

công, ta mô hình hóa bánh răng nón răng

thẳng bằng tập hợp các bánh răng trụ tròn

răng thẳng tương đương có bề rộng là Fm

(hình 2) Môđun của bánh răng tương

đương thứ j, có tâm là O2j :

max

F

m

F

C r

j r

max

eb r

max

e r

2max

O

2 j

O

max

ef

r

max

ea r

O

δ

X

0

O

x

Y

⊗

⊗

y

f

γ

f

δ

( - ).

.cos

ej C

A F d m

Trong đó: dC: đường kính vòng chia ngoài của bánh răng nón, AC: chiều dài nón

ngoài, Fj: khoảng cách từ bánh răng tương đương, có tâm là O2max và có môđun lớn nhất,

đến bánh răng tương đương đang xét, Z: số răng của bánh răng nón

Các thông số khác của bánh răng tương đương thứ j :

cos

2, 25 ;

j

r

α δ

(2)

Trong đó : rj : bán kính vòng chia của bánh răng nón tại vị trí ứng với bánh răng

tương đương thứ j; rej, rebj, reaj và refj lần lượt là bán kính vòng chia, vòng cơ sở, vòng đỉnh

và vòng chân của bánh răng tương đương thứ j; : góc nón chia, : góc áp lực

, : mođun của bánh răng nón xét trên mặt nón phụ thứ j

0

20

2.2 Phương trình gia công cho biên dạng răng thân khai

Để tiến hành gia công bề mặt thân khai bằng phương pháp SSM, ta sử dụng dao

phay ngón đầu cầu (ball mill) có bán kính Re

Phương trình tham số của biên dạng thân khai phía phải của bánh răng trụ răng

thẳng tương đương thứ j, hay tọa độ ( xM, yM)của một điểm M bất kỳ trên biên dạng này

xét trong mặt phẳng O2jxy, có thể viết như sau (hình 3) :

α α

=

⎧⎪

⎨

=

⎪⎩ với : rexj = rebj/ cos αx và: inv αx = tg αx− αx

Vòng tròn

cơ sở

Đường thân khai phải

Dao phay ngón đầu cầu

Hình 3 : Vị trí dụng cụ cắt trên đường thân khai phải

(3)

y

Nếu kể đến bán kính dao Re, phương trình (3) trở thành :

M

2 j

O

N

x I

M

x

Mr

x

rx

Δ

ry

Δ

e

R

Mr

y y M x

α

x

θ

ebj

r

exj

r

.cos( ) sin( )

⎧⎪

⎨

⎪⎩

α α

x

]

(4)

Trong đó : αxlà tham số với :

;

;

r ∈ r r

(5)

Tọa độ trên trục Z của điểm M (hình 4):

(6)

0

Z = − h + h + r − r δ

Trong đó : h0 = 2, 25 sin mj δ và hj = ( Fmax− Fj) cos δf / co γ (7)

Với : δf : góc nón chân, γ f : góc chân răng (hình 2)

Tóm lại, phương trình gia công cho biên dạng thân khai phía phải có dạng :

0

δ

⎪

⎨

⎪

⎩

α α

+ +

, ta xây dựng được phương trình gia công cho biên dạng thân

(8)

Bằng cách tương tự

khai phía trái Bằng cách

sử dụng phép quay hệ tọa

độ quanh trục Z với các

góc bằng 2 / Zπ , ta sẽ

xây dựng được phư ng

trình gia công cho các bề

mặt ră iếp của bánh

răng

2.3 Thuật toán thiết lập

chương trình gia công

theo m

ơ

ng kế t

ã G-Code

ng phải

Hình 4 : Sơ đồ tính tọa độ Z của điểm M

Trên cơ sở các

phương trình gia công viết

cho biên dạng ră

và trái, ta xây dựng thuật

toán để thiết lập tự động

chương trình gia công trên

mã G-Code, sử dụng cho

máy phay CNC BAZ-15

Heideinen như trên hình

5

•

Z

X

max

F

j

F M

M

Z

0

h

j

h

0

O Gốc chương trình g

Dao phay ngón đầu cầu

gia côn

e

R

f

δ

efj

r

exj

r

3 Kết quả và bình luận

Dựa trên phương pháp và sơ đồ thuật toán nêu trên, chúng tôi xây dựng được phần mềm «Bánh răng nón» cho phép thiết lập chương trình gia công theo mã G-Code tương thích với máy phay 3 trục CNC BAZ-15 Heidenhen, nhằm gia công tinh bề mặt thân khai của một bánh răng nón có thông số bất kỳ Phần mềm được viết trên ngôn ngữ Visual Basic

Các menu thao tác chính trên giao diện của phần mềm (hình 6) gồm:

Xuất các lệnh G-Code khởi đầu chương trình gia công

Nhập thông số của bánh răng nón : mođun m, số răng Z,…; Nhập chế độ cắt

Tính các thông số khác : dC, AC, δ, Fmax, δf, repmax, reamax,…

Giải phương trình biên dạng thân khai phía phải, xuất lệnh chạy

dao gia công biên dạng bên phải : G01 X(XMr) Y(YMr) Z(ZMr)

i = 1; Fj = 0; αxr = αmin; αxr = αmax

Xuất lệnh chạy dao gia công vòng đỉnh răng G03 X(raxj) Y(rayj) Z(razj) R(Re)

Giải phương trình biên dạng thân khai phía trái, xuất lệnh chạy

dao gia công biên dạng bên trái : G01 X(XMl) Y(YMl) Z(ZMl)

Xuất lệnh chạy dao gia công vòng chân răng G03 X(rfxj) Y(rfyj) Z(rfzj) R(Re)

YES

αxr > αmax NO αxr = αxr + Δαx

YES

αxl < αmin NO

αxl = αxl + Δαx

Dừng chương trình G28, M30

Hình 5 : Sơ đồ thuật toán lập chương trình gia công

NO F

j = Fj + ΔFj

YES

Fj > Fmax

NO YES

i ≥ Z Quay hệ tọa độ quanh trục Z để gia công răng kế tiếp ; i = i +1

+ Nhập dữ liệu : Nhập các

thông số của bộ truyền bánh răng nón

răng thẳng như môđun m, số răng Z1,

Z2 Nhập các thông số về chế độ cắt

các thông số khác của bánh răng nón

răng thẳng và xuất chương trình gia

công dưới dạng mã lệnh G-code

Để kiểm nghiệm chương

trình gia công và đường chạy dao

được chọn, chúng tôi tiến hành gia

công một bánh răng nón răng thẳng

trên máy phay 3 trục CNC BAZ-15

Heidenhen với thông số như sau: m =

10, Z = 14 Việc gia công thô bánh

răng, sử dụng các đường chạy dao

của phần mềm Pro/Engineer Sau đó,

tiến hành kiểm tra một số thông số

của bánh răng trên máy đo ba chiều

CMM Để thuận lợi cho việc gia

công, vật liệu bánh răng được chọn là

nhôm đúc

Hình 6 : Giao diện phần mềm

“Bánh răng nón”

Hình 7 : Xuất chương trình gia công

Kết quả về sai số của một vài

thông số như bước răng đo trên vòng

chia và profin răng xét trên mặt nón

phụ ngoài cho trên hình 10

Hình 8 : Bánh răng nón răng

thẳng sau khi gia công Hình 9: Kiểm tra bánh răng trên máy đo ba chiều CMM

Qua phân tích các số liệu đo thu thập được, chúng tôi thấy chi tiết gia công có sai

số về bước và sai lệch prophin răng là rất bé, tương đương với cấp chính xác 5 Điều này

phần nào khẳng định độ chính xác bánh răng khi gia công bằng phương pháp SSM với đường chạy dao vừa thiết lập

Hình 10a: Sai số bước trên biên

dạng răng trái

4 Kết luận

Dựa trên phương pháp và thuật toán đề nghị, chúng tôi đã tiến hành xây dựng được phần mềm “Bánh răng nón” Phần mềm này cho phép xuất chương trình gia công tinh bề mặt thân khai của bánh răng nón răng thẳng, có thông số tùy chọn, theo mã lệnh G-Code tương thích với máy phay CNC BAZ-15 Heideinen, theo đường chạy dao men theo biên dạng thân khai Với biên dạng thân khai bên phải đường chạy dao đi từ chân đến đỉnh, với biên dạng thân khai bên trái đường chạy dao đi từ đỉnh đến chân, các đường chạy dao di chuyển từ mặt đầu lớn về mặt đầu nhỏ của bánh răng

Hoàn toàn có thể phát triển thuật toán và phần mềm nói trên để lập chương trình gia công tự động cho bánh răng nón răng cong, răng nghiêng trên máy phay CNC vạn năng 3 trục có bàn quay Có thể kết hợp với việc sử dụng phương trình đường cong chân răng [1] nhằm lập trình gia công các đường cong chân răng đã được tối ưu hóa

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Yến, Gia công bánh răng thân khai trên máy công cụ CNC, Tạp chí

Khoa học và Công nghệ 6 trường Đại học, số 14, 2004

[2] Cihan Ozel, Ali Inan, Latif Ozler, An Investigation on Manufacturing of the Straight

Bevel Gear Using End Mill by CNC Milling Machine, Journal of Manufacturing

Science and Engineering, Transactions of the ASME, Vol 127, 2005, p503-511

[3] S.H Suh, W.S Jih, H.D Hong, D.H Chung, Sculptured surface machining of spiral

bevel gears with CNC milling, International Journal of Machine Tools &

Manufacture, (41), p833-850, 2001

[4] J.Y Dantan, J Bruyere, C Baudouin, L Mathieu, Geometrical Specification Model

for Gear - Expression, Metrology and Analysis, Annals of the CIRP,(56) , 517-520,

2007

[5] P Chin, Y Tsai, Surface geometry of straight and spiral bevel gears, ASME Journal

of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, (4), 443-449, 1987

0

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

răng điểm đo trên prophin

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Hình 10b: Sai số các điểm đo trên prophin ở bề mặt răng phải