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

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

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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội - 2019

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Vào hồi.…giờ… ngày… tháng… năm……

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

CỦA LUẬN ÁN

[1] Bùi Ngọc Tuyên, Hoàng Văn Quý (2018), “Nghiên cứu xây dựng thuật toán và phần mềm vẽ đường cong Bezier” Tạp chí Khoa học và công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, số

44, trang 50-54

[2] Hoàng Văn Quý, Bùi Ngọc Tuyên(2019), “Xây dựng thuật toán

và công cụ phần mềm mô hình hóa bề mặt tự do trong thiết kế cơ

thuật Hưng Yên, số 19, trang 9-13

[3] Bùi Ngọc Tuyên, Hoàng Văn Quý (2019), “A partitioning method for freeform surface to machine on 3 axes CNC milling

sự, số 196, trang 39-48

[4] Hoàng Văn Quý, Bùi Ngọc Tuyên(2019), “Effect of Feed rate, Tool path and Step over on Geometric Accuracy of Freeform

Materials, ISSN: 1662-7482, Vol 889, pp 107-114, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.889.107

[5] Bùi Ngọc Tuyên, Hoàng Văn Quý, Nguyễn Đức Toàn (2019), “A Study on Partitioning Freeform Surface and Tool Selection Method for 3 axes CNC Machining”, J Korean Soc Precis Eng, Vol 36, No.9, https://doi.org/10.7736/KSPE.2019.36.9.813

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

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 lên 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 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 hợp lý trong tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý 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

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

- Phương pháp lý thuyết: 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

- Phương pháp mô phỏng: 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

- Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng các thí 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 thực tiễn của luận án

- Xác định được việc lựa chọn đường dụng cụ hợp lý đối với vùng cục bộ yên ngựa

- Các nội dung nghiên cứu của luận án đóng góp làm phong phú them các kiến thức chuyên ngành trong lĩnh vực gia công mặt tự do trên máy điều khiển số

Ý nghĩa thực tiễn

- 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 sản phẩm có chứa bề mặt tự do khi gia công trên máy cnc 3 trục Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn, có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp

- Trong nội dung của luận án cũng đã xây dựng các thuật toán

và công cụ phục vụ cho công việc lựa chọn dụng cụ cắt cũng như đường dụng cụ cắt hợp lý trong quá trình gia công các bề mặt tự do

5 Những điểm mới của luận án

- Xây dựng thuật toán và chương trình lựa chọn kích thước dụng cụ hợp lý khi gia công chi tiết có chứa mặt tự do, tách mặt tự do trơn thành các mảnh mặt cục bộ, xác định được điểm thuộc ranh giới vùng cục bộ bằng Matlab2014b

- Xây dựng một Macro trên Excel 2010 liên kết với catiaV5R21để kết nối điểm trên đường ranh giới mảnh mặt cục bộ

- Xây dựng thực nghiệm 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

- Xây dựng thuật toán và chương trình lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý khi gia công mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục bằng Matlab2014b

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO

1.1 Khái niệm, lịch sử phát triển và ứng dụng mặt tự do

1.1.1 Khái niệm

Mặt tự do (freeform surface hoặc freeform surfacing) là thuật ngữ sử dụng chỉ các bề mặt cong trơn, liên tục sử dụng trong CAD 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, 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…[3], ngoài ra cũng có thể có các phương pháp biểu diễn khác như Coons [4] hay Gordon [5] 1.1.2 Lịch sử phát triển

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

trong thiết kế vỏ ô tô; c) Ứng dụng NURBS trong kiến trúc

Điểm điều khiển

Hình 1 1 Sự khác biệt khi hiệu chỉnh đối tượng

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

Mặt tự do được ứng dụng rất nhiều trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ tạo hình nhân vật hoạt hình, kỹ xảo phim ảnh, cơng nghiệp ơ tơ, tàu, máy bay và cả trong kiến trúc nữa Hình 1 2 1.1.3.2 Ứng dụng đường, mặt tự do trong gia cơng

Trong gia cơng trên máy CNC việc gia cơng các đường biên dạng hoặc mặt cong thường xuyên xảy ra Khi gia cơng những đường hoặc mặt này thường dụng cụ sẽ được dẫn theo đường dẫn (gọi là đường dụng cụ hay toolpath) 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) (Hình 1 5)

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

1.2 Các giai đoạn gia cơng mặt tự do

1.2.1 Các giai đoạn gia cơng mặt tự do

Theo P Fallbohmer cùng cộng sự [13] đã khảo sát quá trình sản xuất khuơn của ba quốc gia cĩ nền cơng nghiệp chế tạo phát triển mạnh là Mỹ, Đức và Nhật Bản cho thấy rằng tổng thời gian gia cơng tinh (gồm gia cơng tinh và đánh bĩng) chiếm khoảng 78% tổng thời gian chế tạo các mặt trong khuơn (Hình 1 4a) Trong nội dung của luận án tác giả cũng khảo sát thực tế tại xưởng cơ khí của nhà máy nhựa Tiền Phong (Hải Phịng) Số lượng khảo sát 10 mẫu khuơn cĩ bề mặt khác nhau, thu thập

Đường thẳng

Đường xấp xỉ

CungĐường xấp xỉ

Hình 1 3 Mơ tả nội suy tuyến tính và cung trên hệ máy CNC

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

dữ liệu về thời gian gia công thu được kết quả trung bình như sau Hình 1 4b:

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

ra 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 khi gia công mặt tự do

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

Hình 1 4 Khảo sát thời gian gia công thô, tinh, đánh bóng khi gia công khuôn a) Theo tài liệu [13]; b) Khảo sát thực tế trong nhà máy nhựa Tiền Phong HP

sử dụng khi phay tinh có hình dáng hình học được mô tả trên Hình 1 5

Trên Hình 1 6 dễ dàng nhận thấy rằng nếu lựa chọn dụng cụ cắt có đường tròn đại diện nhỏ, quá trình gia công không xảy ra hiện tượng cắt lẹm, nhưng thời gian gia công sẽ lâu 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

1.3.2 Đường dụng cụ khi gia công mặt tự do

1.3.2.1 Khái niệm

Đường dẫn 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 dẫn 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 dẫn dụng cụ sẽ dẫn dụng

cụ thực hiện quá trình bao hình tạo thành bề mặt của chi tiết

Hình 1 5 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

Hình 1 6 Đường cắt và cắt lẹm a) Dao đường kính nhỏ không gây cắt lẹm; b) Dao đường kính lớn gây cắt lẹm

Dao có

đường kính nhỏ

Dao có đường kính lớn

Đường tâm dao

Cắt lẹm

1.3.2.2 Các kiểu đường dẫn dụng cụ

Đường dẫn 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 túc của các nhà khoa học Có thể xuất hiện nhiều biến thể của các đường dụng cụ khác nhau

1.3.2.3 Các thông số cơ bản của đường dụng cụ

Những thông số của đường dụng cụ cần chú ý khi gia công mặt

tự do biểu diễn trên Hình 1 8 như sau:

- Đường tròn (mặt cầu) đại diện: Mô tả phần đường kính mặt cầu của dụng cụ cắt, đại diện cho dụng cụ tham gia quá trình gia công

- Bước tiến S (Stepover): là khoảng cách giữa hai đường dẫn dụng cụ liên tiếp

- Chiều cao h (chiều cao lớp kim loại để lại sau hai bước dịch dao liên tiếp, còn gọi là Scallop Height);

- Cusp là phần kim loại để lại sau một bước dịch dao ngang, phần này có chiều cao là h;

- Điểm CC (Cutting Contact point): là điểm mà dụng cụ cắt tiếp cận tới phôi theo tính toán

Hình 1 7 Đường dẫn dụng cụ

Chiều cao Scallop

thực

Đường tròn đại diện

Bước tiến ngang Mặt thiết kế Hình 1 8 Các thông số quan trọng khi gia công mặt tự do

- Điểm CL (Cutting Location point): là điểm thuộc tâm của dụng cụ, cách điểm CC một khoảng bằng bán kính của dụng cụ

- Đường CC (còn gọi là Cutting Contact data) là tập hợp các điểm CC (xem Hình 1 8)

1.4 Phương pháp tính toán sinh đường dụng cụ

Đường dụng cụ được tính toán dựa trên bốn phương pháp cơ bản như sau:

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu về gia công mặt tự do

trên máy CNC

1.5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

Các công nghệ CAD/CAM/CNC đã và đang được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp tại Việt Nam và đang chứng tỏ được tính hiệu quả to lớn mà các công nghệ này mang lại, góp phần làm thay đổi bộ mặt công nghiệp hóa, hiện đại hóa của nước nhà trong vài thập kỷ trở lại đây Do những ưu điểm mà công nghệ này mang lại nên ngày càng có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu sâu về lĩnh vực này kể cả trong lý thuyết lẫn trong ứng dụng thực tiễn

1.5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên Thế giới các nội dung nghiên cứu liên quan đến gia công tạo hình các bề mặt tự do đã thu hút được rất nhiều các nhà khoa học Rất nhiều công trình khoa học đã được công bố

®-êng dông cô

®-êng dông cô

®-êng dông cô

Hình 1 9 Phương pháp tạo đường dẫn dụng cụ theo điểm cơ sở CC-point a) Đường dẫn kiểu Isoparametric; b) Đường dẫn dạng Cartersian;

c) Đường dẫn dạng APT-type

mang tính học thuật cũng như cĩ tính ứng dụng rất lớn liên quan tới gia cơng các mặt tự do trên máy CNC

1.6 Đánh giá tình hình nghiên cứu phương pháp gia cơng mặt

tự do và đề xuất hướng nghiên cứu của luận án

Nội dung nghiên cứu trong luận án cĩ thể tĩm tắt như sau:

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

đường và mặt tự do

Xây dựng thuật toán biểu diễn đường tự do

Xây dựng thuật toán biểu diễn mặt tự do

Xây dựng thuật toán biểu diễn file định dạng IGES

Định dạng file IGES

biểu diễn đường và

mặt trong CAD/CAM

Xây dựng công cụ biểu diễn đường tự do

Xây dựng công cụ biểu diễn mặt tự do

Xây dựng công cụ biểu diễn file định dạng IGES

Nghiên cứu lý thuyết

Xác định kích thước dụng cụ cắt phù hợp Xây dựng mô

hình CAD

Lựa chọn kích thước dụng cụ tiêu chuẩn hợp lý đối với từng mảnh mặt cục bộ Xây dựng phương án xác định đường dụng cụ hợp lý

Xây dựng mô phỏng và thực nghiệm gia công Kết quả

Kết luận

Đánh giá tính hiệu quả

của phương pháp Tính toán, lựa chọn dụng cụ, đườngdụng cụ, thông số công nghệ

Xử lý bề mặt