Tóm tắt 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

Vì vậy, việc nghiên cứu các thông số công nghệ, đường dụng cụ, đặc tính về hình dáng hình học ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình bề mặt tự do dạng elip lõm thông qua việc đánh giá các yếu

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Ngày nay các sản phẩm nhựa được ưu tiên sử dụng nhiều từ

đồ dân dụng cho đến các thiết bị kỹ thuật… vì nó có giá thành rẻ, năng suất cao, đa dạng về hình dáng và mẫu mã Hiện nay ở Việt Nam các trung tâm phay CNC được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu để chế tạo các chi tiết lòng, lõi khuôn có các dạng

bề mặt tự do Tuy nhiên chủ yếu là các đơn vị sản xuất đang tập trung vào khai thác thiết bị theo những kiến thức được đào tạo của nhà cung cấp máy CNC chứ chưa quan tâm nhiều đến công nghệ

Trước yêu cầu cấp bách đó trên thế giới cũng như ở trong nước các nhà khoa học đã và đang tập trung vào hướng nghiên cứu

về công nghệ khi gia công trên trung tâm CNC Tuy nhiên, những nghiên cứu về các vấn đề nêu trên hiện nay chủ yếu tập trung vào các

bề mặt cơ bản như mặt phẳng, mặt trụ tròn, mặt kẻ để thuận tiện trong việc nghiên cứu như kiểm tra đánh giá kiểm chứng, trong khi

đó trên thực tế đối với điều kiện sản xuất trong nước thì trung tâm gia công CNC chủ yếu được sử dụng trong việc chế tạo khuôn mẫu

để gia công các bề mặt cong, bề mặt phức tạp, bề mặt có các yêu cầu

về khí động học, có tính thẩm mỹ cao

Vì vậy, việc nghiên cứu các thông số công nghệ, đường dụng

cụ, đặc tính về hình dáng hình học ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình bề mặt tự do dạng elip lõm thông qua việc đánh giá các yếu tố xuất hiện trong quá trình gia công (mòn dụng cụ, lực cắt) và yếu tố đầu ra (nhấp nhô bề mặt) ở bước gia công tinh, bán tinh khi gia công

bề mặt lõi khuôn cánh quạt bằng dao phay ngón đầu cầu là cần thiết

và cấp bách Để giải quyết vấn đề này, tác giả lựa chọn đề tài

“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”

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích của đề tài:

- Nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của đường dụng cụ đến lực cắt, nhấp nhô bề mặt để lựa chọn đường chạy dao phù hợp khi gia công tinh bề mặt lõi khuôn cánh quạt có dạng elip lõm

- Xây dựng công thức thực nghiệm biểu thị mối quan hệ giữa chế độ cắt với yếu tố lực cắt

- Xây dựng công thức thực nghiệm biểu thị mối quan hệ giữa chế độ cắt với mòn dao phay ngón đầu cầu khi gia công bề mặt tự do dạng elip lõm trên máy phay CNC

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dáng hình học bề mặt tự

do dạng elip lõm đến mòn dao phay ngón đầu cầu, chất lượng

bề mặt tự do

- Xây dựng công thức thực nghiệm biểu thị mối quan hệ giữa chế độ cắt (V, s, t) với độ nhấp nhô bề mặt khi gia công tinh bề mặt lõi khuôn cánh quạt có dạng elip lõm trên máy phay CNC

2.2 Đối tượng nghiên cứu:

- Bề mặt tự do có dạng cục bộ elip lõm: bề mặt lõi khuôn cánh quạt

- Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn (mặt sau, chiều rộng mặt trước, khối lượng) dao phay ngón đầu cầu với các yếu tố công nghệ (vận tốc cắt, lượng chạy dao), đã xác định ảnh hưởng của hình dáng hình học chi tiết đến mòn dụng cụ

- Nghiên cứu quan hệ giữa chất lượng bề mặt (độ chính xác

về kích thước, nhấp nhô bề mặt) với các yếu tố về công nghệ (vận

tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) Đã xác định ảnh hưởng của đường dụng cụ đến chất lượng bề mặt lõi khuôn cánh quạt có dạng elip lõm; ảnh hưởng của hình dáng chi tiết đến chất lượng bề mặt

- Là cơ sở cho việc nghiên cứu các yếu tố khác trong quá trình gia công bề mặt tự do như nhiệt cắt, rung động…

- Là tiền đề cho các nghiên cứu về những loại bề mặt tự do

có cấu trúc cục bộ khác

b Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa thực tiễn như sau:

- Là cơ sở để lựa chọn đường chạy dao tối ưu cho các bề mặt

tự do có dạng elip lõm khi tạo lập chương trình NC gia công bề mặt lòng, lõi khuôn mẫu, quan tâm đến tính công nghệ khi thiết kế các bề mặt khuôn mẫu để thuận lợi cho quá trình gia công

- Các hàm toán học là tài liệu để nâng cao chất lượng chi tiết khi gia công bề mặt tự do có dạng elip lõm trên máy phay CNC, giảm giá thành sản phẩm Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của các doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu trong môi trường sản xuất kinh doanh với sự cạnh tranh khốc liệt của thị trường cũng như trong quá trình hội nhập với các nước trong khu vực cũng như thế giới

- Kết quả của đề tài được ứng dụng để gia công lõi khuôn cánh quạt (có dạng elip lõm)

4 Các đóng góp mới của luận án

- Đề xuất phương pháp đánh giá yếu tố lực cắt khi gia công bề mặt tự

do

- Xây dựng công thức thực nghiệm giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt, mòn dao phay ngón đầu cầu, tốc độ biến đổi của lực cắt khi phay lõi khuôn cánh quạt có dạng bề mặt tự do elip lõm

- Đánh giá ảnh hưởng của hình dáng hình học bề mặt tự do đến mòn dao phay ngón đầu cầu, chất lượng bề mặt

- Đánh giá ảnh hưởng của đường dụng cụ đến yếu tố lực cắt, chất lượng bề mặt tự do lõi khuôn cánh quạt dạng elip lõm

5 Cấu trúc luận án

Luận án được trình bày trong 4 chương và phần kết luận

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm Sử dụng các công cụ toán học kết hợp tin học và kết quả thực nghiệm để xây dựng các mối quan hệ giữa các yếu tố, tìm ra các quy luật

- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu về các loại bề mặt tự do, từ đó lựa chọn một loại bề mặt tự do thường gặp nhất có yêu cầu đặc trưng về hình dáng hình học, yêu cầu kỹ thuật của bề mặt làm đối tượng nghiên cứu, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hình

bề mặt đó như: chế độ cắt, đường dụng cụ, chất lượng bề mặt

NỘI DUNG LUẬN ÁN Chương 1: Tổng quan về bề mặt tự do và nghiên cứu về tạo hình

bề mặt tự do trên máy phay CNC

1.1 Các bề mặt tự do (Sculptured Surfaces)

Các bề mặt tự do hay còn gọi là các bề mặt không gian với các thuật ngữ thường được sử dụng như Sculptured Surfaces hay freeform surfaces hay NURBS surfaces là các bề mặt cong trơn, liên tục với các tham số đặc trưng cho cấu trúc hình học cục bộ (độ cong, tiếp tuyến, pháp tuyến, ) tại hai điểm lân cận của vùng bề mặt là khác nhau

1.2 Phân loại các bề mặt tự do

Để mô tả cấu trúc cục bộ của bề mặt tự do có thể sử dụng các sơ đồ vòng tròn [54] Cơ sở để xây dựng các sơ đồ vòng tròn là các phương trình Euler (1.1) và phương trình Germain (1.2)

Phương trình Euler xác định độ cong của đường cong tiết diện pháp tuyến:

P 1 P 2 P

P

Các vòng tròn này nằm cách trục τ một khoảng cách nào đó Bán kính của các vòng tròn này bằng trung bình cộng của các độ cong chính

Hình 1.2 Các sơ đồ vòng tròn các vùng bề mặt trơn, liên tục của

bề mặt tự do

Sơ đồ hình 1.2b mô tả các vùng bề mặt trung tâm với các hướng chính không xác định Độ cong pháp tuyến theo các hướng là

có cùng giá trị Vì vậy các sơ đồ vòng tròn này co lại, suy biến thành

mặt lồi (M>0, G>0) , (kP<0, 0) cho các vùng bề mặt lõm (M<0, G>0)

Các sơ đồ vòng tròn các vùng bề mặt cục bộ lồi (M>0, G=0)

và lõm (M<0, G=0) dạng parabol (hình 1.2, c) đi qua gốc của hệ tọa

độ kPτP

Các sơ đồ vòng tròn các vùng bề mặt cục bộ giả lồi (M>0)

và giả lõm (M>0) dạng yên ngựa Các sơ đồ vòng tròn này giao với trục τP

Trường hợp đặc biệt của vùng bề mặt cục bộ dạng yên ngựa (G<0) với độ cong trung bình M=0 được gọi là vùng bề mặt dạng yên ngựa cực tiểu (hình 1.2, e)

Do tính đa dạng và phức tạp của các bề mặt bề mặt tự do nên không thể sử dụng các dụng cụ chuyên dùng để tạo hình cho từng loại bề mặt riêng biệt Gia công tạo hình các bề mặt này thường được thực hiện hiệu quả trên các máy điều khiển số nhiều trục bằng các dụng cụ vạn năng là các dạng dao phay ngón Tại mỗi thời điểm trong quá trình gia công, bề mặt tự do cần tạo hình tiếp xúc với bề mặt khởi thủy của dụng cụ tại một điểm Bề mặt tạo hình được hình thành là mặt bao của họ bề mặt khởi thủy của dụng cụ trong quá trình chuyển động tạo hình

1.3 Dụng cụ và đường dụng cụ trong gia công bề mặt 3D

1.3.1 Dụng cụ

Dao phay đầu cầu: 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

Dao phay đầu phẳng: 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

Dao phay đầu phẳng có góc lượn: (hình 1.4b) để hài hòa ưu nhược

điểm của dao phay đầu cầu và dao phay đầu phẳng

Các loại dao phay thân côn: (hình 1.4e) khi gia công những bề mặt

lên, xuống dốc có hốc sâu thì các dao thân côn rất phù hợp

dư gia công còn nếu là nguyên công gia công tinh thì đường chạy dao sẽ dẫn dụng cụ thực hiện quá trình bao hình tạo thành bề mặt chi tiết Tùy theo phương thức gia công là 2D, 3D hay 5D sẽ có đường dụng cụ tương ứng là 2D, 3D hay 5D

Đường dụng cụ trong gia công đường cong 2D có được bằng cách dịch (offset) đường cong cần gia công một lượng bằng bán kính dụng cụ

Nếu gia công đảo hoặc hốc theo phương pháp cắt theo lớp thì đường dụng cụ là các đường 2D, hình dáng của chúng có thể là song song, xoắn hay theo tia

Trong gia công 3D thì đường 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

Với cùng một dụng cụ cắt, cùng một chế độ cắt nhưng chất lượng bề mặt chi tiết đạt được sau khi gia công phụ thuộc nhiều vào phương án đường dụng cụ Như vậy với mỗi bề mặt chi tiết cụ thể ta cần có một phương án đường chạy dao để chất lượng bề mặt tạo thành tốt nhất

1.6 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngành cơ khí cũng không ngoài trào lưu đó và công nghệ CAD/CAM là một trong thành tựu đáng kể hiện nay nó được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu, dùng để tạo hình các loại bề mặt tự do Hiện nay trên thế giới, thuật ngữ về bề mặt tự

do cũng được dùng phổ biến trong các nghiên cứu và bắt gặp trong nhiều lĩnh vực Do những nhu cầu cấp thiết về việc tạo hình bề mặt

tự do nên các nhà khoa học luôn tìm tòi nghiên cứu để có thể nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm giá thành sản xuất, các hướng nghiên cứu được các tác giả tập trung là:

* Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến lực cắt, chất lượng bề mặt tự do của các tác giả K.D Bouzakis, P Aichouh,

K Efstathiou [50], Adriano Fagali de Souza[16]

- Nghiên cứu về đường dụng cụ (chiến lược chạy dao) khi tạo hình

bề mặt tự do: M Kaymakci, I Lazoglu [46], Anton Gittens, B.V Chowdary[13], G.M Kim, P.J Cho, C.N Chu [33]

+ Ngoài ra còn có các nghiên cứu về mô hình hóa lực cắt khi gia công bề mặt tự do trên trung tâm gia công 3 trục, 5 trục của Ismail

Hình 1.6 Đường dụng cụ gia công 3D

Lazoglu và các tác giả thực hiện tại đại học KOC, Thổ Nhĩ Kỳ [31],

[38], [59]

* Nghiên cứu về giám sát và mòn dao phay ngón đầu cầu, là loại

dụng cụ cắt dùng chủ yếu trong tạo hình bề mặt tự do Tomás Vopát

[54], Chen Zhang, Jilin Zhang [29]

Kết luận và hướng nghiên cứu của đề tài

Qua phân tích, đánh giá những nghiên cứu, tác giả nhận thấy

hiện nay trên thế giới thuật ngữ bề mặt tự do (Sculptured Surface) đã

trở nên khá quen thuộc và có nhiều nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực

này vì ngày nay các sản phẩm ứng dụng bề mặt tự do để tạo hình rất

nhiều Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu là các luận án, luận

văn và các bài báo khoa học đăng ở các tạp chí hoặc là các báo cáo

tại các hội nghị chuyên ngành và đối tượng nghiên cứu chỉ đang

dừng ở mức độ các bề mặt nghiêng, bề mặt kẻ là chủ yếu, chưa có

nghiên cứu nêu bật được đặc điểm của bề mặt tự do Ở trong nước thì

nghiên cứu về vấn đề này còn hạn chế chủ yếu là nghiên cứu về các

phương pháp đánh giá về độ chính xác kích thước bề mặt tự do thông

qua phương pháp so sánh bề mặt thiết kế và bề mặt chi tiết gia công

Tác giả nhận thấy với phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết

hợp thực nghiệm gia công bề mặt tự do lõi khuôn cánh quạt dạng elip

lõm để xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất

lượng bề mặt, mòn dao phay ngón đầu cầu, lực cắt là cấp thiết

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về động lực học và mòn dụng cụ trong

quá trình phay bề mặt tự do

2.1 2 Nghiên cứu hệ thống lực cắt khi phay CNC

mặt phẳng vuông góc với đường tâm dao và được phân tích thành lực

thành phần theo các phương xác định như sau:

vào lực này để tính toán công suất máy cần thiết cho quá trình gia

công

về tâm do đó có xu hướng đẩy nghiêng trục gá dao trong quá trình

gia công, đồng thời tạo ra các áp lực tác động lên các ổ trục chính của

máy phay đứng gây ra momen ma sát phụ tác động lên ổ

cơ tính lớp bề mặt đã gia công

Lực chạy dao dùng

để tính toán lực kẹp chặt chi

tiết gia công và tính toán

thiết kế cơ cấu chạy dao

Tùy theo phay thuận hay

phay ngịch mà nó có tác

dụng làm tăng hay khử độ rơ

của cơ cấu truyền động vít

me – đai ốc

Lực Pz có tác dụng

đẩy dao phay dịch chuyển

theo phương dọc trục, đồng

thời tác động lên ổ chặn của

đầu trục máy phay

Trong trường hợp

tổng quát khi phương của

lưỡi cắt dao phay ngón hợp

với phương trục dao phay

của một góc ω thì lúc này

lực cắt tổng quát P sinh ra

trong quá trình gia công

được biểu diễn như sau:

z y x a t

2.4 Mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công

2.4.1 Dạng mòn

Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau

Phần cắt dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mòn theo các dạng sau:

- Mòn theo mặt sau

- Mòn theo mặt trước

- Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau

X Y

S

S Py

Pc Pt

Pr Px

- Mòn tù lưỡi cắt hình

Mòn mặt trước và sau là hai dạng mòn thường gặp nhất trong cắt kim loại

2.4.2 Các cơ chế mòn cơ bản của dụng cụ cắt

Theo Shaw [51] mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hoá và mỏi Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt tuy nhiên tuỳ theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế Ngoài ra dụng cụ còn bị phá huỷ do mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo

a Mòn do dính:

Theo Boothroyd [20] và Loladze [40] mòn do dính sẽ phát triển mạnh, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao, các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng thời gian cắt ngắn Hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi

b Mòn do hạt mài

Theo Loladze [40] mòn do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công như oxides và nitrides hoặc những hạt cácbít của vật liệu dụng cụ trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng

cụ và vật liệu gia công tạo nên các vết cào xước trên bề mặt dụng cụ

c Mòn do khuếch tán

Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi dây là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công

d Mòn do ôxy hoá

Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng, mòn xảy ra với tốc độ mòn thấp và các hạt mòn oxits nhỏ được hình thành

Kết luận chương 2

Qua các phân tích trên thì có thể kết luận rằng chế độ cắt khi gia công ảnh hưởng đến tất cả quá trình gia công và các hiện tượng vật lý, cơ học xảy ra trong vùng cắt như nhiệt cắt, lực cắt, mòn dụng

cụ, chất lượng bề mặt Mức độ ảnh hưởng trong mỗi trường hợp là khác nhau tùy thuộc vào các yếu tố như vật liệu của phôi/dao, hình dáng hình học của dụng cụ, điều kiện gia công….Nội dung của chương này là cơ sở cho các nghiên cứu được trình bày ở chương 3 và

4

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ giữa

thông số công nghệ với tốc độ biến đổi lực cắt trung bình và mòn

dao khi tạo hình bề mặt lõi khuôn cánh quạt có dạng elip lõm

3.1 Nghiên cứu, xây dựng các công thức toán học xác định mối

quan hệ giữa thông số công nghệ với lực cắt

3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tốc độ biến đổi lực cắt

trung bình khi tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC

Trong chương này tác giả tập trung nghiên cứu các thông số

chế độ cắt, và hình dáng hình học của phôi ảnh hưởng đến yếu tố lực

cắt mà cụ thể ở đây là tốc độ biến đổi lực cắt khi phay bề mặt tự do

có dạng elip lõm

Sơ đồ thực nghiệm:

ế

Khi gia công bề mặt tự do

trên máy CNC lực cắt không

những bị ảnh hưởng bởi các yếu

vật liệu gia công

- Điều kiện gia công

c¸c yÕu

tè ®Çu ra:

Lực cắt thành phần:

Fy

Qúa trình cắt trên máy phay CNC