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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN MẠNH HÀ 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN MẠNH HÀ 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH BÀNH TIẾN LONG PGS.TS BÙI NGỌC TUYÊN Hà Nội – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Tất số liệu kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, chƣa đƣợc công bố công trình nghiên cứu khác TẬP THỂ HƯỚNG DẪN GS TSKH Bành Tiến Long PGS TS Bùi Ngọc Tuyên i Tác giả Trần Mạnh Hà LỜI CẢM ƠN Qua thời gian tìm tịi, nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy GS TSKH Bành Tiến Long PGS.TS Bùi Ngọc Tun tơi hồn thành luận án Ngồi hƣớng dẫn, định hƣớng mặt khoa học thầy quan tâm, động viên nghiên cứu sinh suốt trình nghiên cứu Đây động lực tinh thần lớn để tác giả tự tin say mê nghiên cứu khoa học Qua tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể thầy cô giáo Bộ môn Gia công vật liệu dụng cụ công nghiệp, Viện Cơ khí đóng góp nhiều ý kiến xác đáng cho tác giả; Trung tâm BK CNC tạo điều kiện tốt sở thiết bị thí nghiệm để tác giả hồn thành cơng trình nghiên cứu Cuối cùng, tác giả gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp Trƣờng Đại học Công nghiệp Vinh gia đình ln bên động viên giúp đỡ tác giả suốt trình nghiên cứu thực đề tài Hà nội, ngày tháng Tác giả Trần Mạnh Hà ii năm 2015 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………… .i LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………… ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT……………………………………… iii DANH MỤC CÁC BẢNG ………………………………………………………………… vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ………………………………………………….vii PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a Ý nghĩa khoa học: b Ý nghĩa thực tiễn: 4 Các đóng góp luận án 5 Nội dung luận án Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG 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 (Sculptured Surfaces) 1.2 Phân loại bề mặt tự 1.3 Dụng cụ đƣờng dụng cụ gia công bề mặt tự 10 1.3.1 Dụng cụ 10 1.3.2 Đƣờng dụng cụ 11 1.3.3 Các thông số đƣờng dụng cụ 12 1.4 Ảnh hƣởng hình học dụng cụ đến chất lƣợng tạo hình gia cơng bề mặt 3D 14 1.4.1 Mối quan hệ tƣơng quan hình học bề mặt khơng gian hình học dụng cụ cắt gia công với bƣớc tiến ngang lớn 14 1.4.1.1.Chiều cao nhấp nhô gia công sử dụng dao phay đầu chỏm cầu 14 1.4.1.2 Chiều cao nhấp nhô gia công sử dụng dao phay đầu phẳng 16 1.4.1.3 Gia công sử dụng số loại dao khác 17 1.4.2 Mối quan hệ tƣơng quan hình học bề mặt khơng gian hình học dụng cụ cắt gia công với bƣớc tiến ngang nhỏ 17 1.4.2.1 Dao phay ngón đầu phẳng 19 1.4.2.2 Dao phay ngón đầu cầu 21 1.5 Ảnh hƣởng hình học đƣờng chạy dao tới độ xác gia công phay bề mặt 3D 22 1.5.1 Gia công thô 22 1.5.2 Gia công bán tinh (Semi-finish) gia công tinh (finish) 24 1.6 Tổng quan tình hình nghiên cứu 27 Kết luận hƣớng nghiên cứu đề tài 32 iii CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÕN DỤNG CỤ TRONG QUÁ TRÌNH PHAY BỀ MẶT TỰ DO 34 2.1 Động lực học trình phay 34 2.1.1 Cơ sở lý thuyết lực cắt 35 2.1.2 Nghiên cứu hệ thống lực cắt phay CNC 35 2.1.3 Mối quan hệ hệ số lực cắt tức thời với thành phần lực cắt đo đƣợc 37 2.2 Ảnh hƣởng yếu tố công nghệ đến thành phần lực cắt phay 38 2.2.1 Ảnh hƣởng bề rộng b chiều sâu cắt a tới lực cắt Pz 38 2.2.2 Ảnh hƣởng tốc độ cắt tới lực cắt 38 2.2.3 Ảnh hƣởng chiều sâu cắt lƣợng chạy dao tới lực cắt 39 2.2.4 Ảnh hƣởng vật liệu gia công tới lực cắt 39 2.2.5 Ảnh hƣởng vật liệu dao tới lực cắt 40 2.2.6 Ảnh hƣởng thơng số hình học dao tới lực cắt 40 2.2.6.1 Ảnh hưởng góc trước góc sau tới lực cắt 40 2.2.6.2 Ảnh hưởng góc cắt  tới lực cắt 41 2.2.6.3 Ảnh hưởng góc nghiêng  tới lực cắt 41 2.2.6.4 Ảnh hưởng góc nghiêng lưỡi cắt  tới lực cắt 41 2.2.6.5 Ảnh hưởng dung dịch trơn nguội tới lực cắt 42 2.3.6.6 Ảnh hưởng hình dạng dao tới lực cắt 42 2.2.7 Ảnh hƣởng mòn dụng cụ cắt 42 2.3 Mòn dụng cụ cắt q trình gia cơng 43 2.3.1 Dạng mòn 43 2.3.2 Các chế mòn dụng cụ cắt 45 2.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến mòn dụng cụ cắt 47 Kết luận chƣơng 52 CHƢƠNG 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 MÕN DAO KHI TẠO HÌNH BỀ MẶT LÕI KHN CÁNH QUẠT CĨ DẠNG ELIP LÕM 53 3.1 Nghiên cứu, xây dựng công thức thực nghiệm xác định mối quan hệ thông số công nghệ với lực cắt 53 3.1.1 Mơ hình hóa động lực học dao phay ngón đầu cầu 53 3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng tốc độ biến đổi lực cắt trung bình tạo hình bề mặt tự máy phay CNC 57 3.1.2.1 Mục đích nghiên cứu 57 3.1.2.2 Điều kiện thực nghiệm 58 3.1.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng đường dụng cụ đến tốc độ biến đổi lực cắt trung bình tạo hình bề mặt tự có dạng elip lõm 63 3.1.2.4 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ đến tốc độ biến đổi lực cắt trung bình tạo hình bề mặt tự dạng elip lõm máy phay CNC 64 iv 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm mòn dao phay ngón đầu cầu tạo hình bề mặt tự máy phay CNC 79 3.2.1 Các bề mặt hình thành phần cắt dao phay cầu 79 3.2.1 Sự hình thành phoi thơng số hình học phoi phay dao phay cầu 80 3.2.3 Thực nghiệm mịn dao phay ngón đầu cầu tạo hình bề mặt tự máy phay CNC 81 3.2.3.1 Mục đích nghiên cứu 81 3.2.3.2 Điều kiện thực nghiệm 82 3.2.3.3 Thực nghiệm ảnh hưởng thông số cơng nghệ(V, s) đến mịn dụng cụ 84 3.2.3.4 Xác định ảnh hưởng vị trí tiếp xúc dụng cụ cắt chi tiết đến mòn dụng cụ cắt 94 3.3 Kết luận chƣơng 98 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA THÔNG SỐ CƠNG NGHỆ VỚI NHÁM BỀ MẶT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC KÍCH THƢỚC KHI GIA CƠNG BỀ MẶT LÕI KHN CÁNH QUẠT CÓ DẠNG ELIP LÕM 100 4.1 Cơ sở lý thuyết đánh giá bề mặt tự 100 4.1.1 Độ xác gia cơng bề mặt 100 4.1.2 Độ xác gia cơng bề mặt không gian 102 4.2 Thực nghiệm ảnh hƣởng hình dáng hình học bề mặt, thơng số cơng nghệ đến chất lƣợng bề mặt tạo hình bề mặt tự 104 4.2.1 Mục đích nghiên cứu 104 4.2.2 Điều kiện thực nghiệm 105 4.2.3 Xác định ảnh hƣởng vị trí tiếp xúc dụng cụ cắt chi tiết đến nhấp nhô bề măt gia công bề mặt tự 107 4.2.3.1 Cơ sở lý thuyết 107 4.2.3.2 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng hình học chi tiết đến nhấp nhô bề mặt khuôn mẫu 108 4.2.4 Nghiên cứu, xây dựng công thức thực nghiệm xác định mối quan hệ thông số công nghệ với chất lƣợng bề mặt gia công bề mặt khn mẫu có dạng elip lõm 109 4.2.4.1 Thí nghiệm lựa chọn đường dụng cụ cắt gia công bề mặt tự lõm dạng elip (lõi khuôn cánh quạt) 109 4.2.4.2 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt gia công bề mặt tự elip lõm 110 4.3 Kết luận chƣơng 115 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 123 PHỤ LỤC ………………………………………………………………………… ……….123 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt CNC CAD CAM NURBS CATIA k P Giải thích ý nghĩa Computer Numerical Control Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing Non-uniform rational B-spline Computer Aided Three-dimensional Interactive Application Độ cong đƣờng cong tiết diện pháp tuyến Cθ Cθ C1.P τθ P K H So Sf hs ρ R V n f s t Pt Pr     Krc Kψc Ktc VFx Tiết diện pháp tuyến Tiết diện Độ xoắn Độ cong Gauss Độ cong trung bình Khoảng cách đƣờng chạy dao liên tiếp Khoảng cách điểm nút liên tiếp đƣờng dụng cụ Chiều cao nhấp nhơ Bán kính cung cong cần gia cơng Bán kính mũi dao Tốc độ cắt Tốc độ quay trục diện tích lớp cắt bƣớc tiến dao chiều sâu cắt Lực tiếp tuyến Lực hƣớng kính góc trƣớc dụng cụ cắt góc cắt dụng cụ cắt góc nghiêng góc nghiêng lƣỡi cắt Hệ số cắt hƣớng kính Hệ số cắt dọc trục Hệ số cắt tiếp tuyến Tốc độ biến đổi lực cắt theo phƣơng X VFy Tốc độ biến đổi lực cắt theo phƣơng Y VFz ap ae De VB Bcr Vw y Tốc độ biến đổi lực cắt theo phƣơng Z chiều sâu cắt dọc trục lƣợng dịch dao ngang đƣờng kính gia cơng thực dao Mịn mặt sau dao phay ngón đầu cầu chiều rộng vết mịn mặt trƣớc khối lƣợng mịn dao phay ngón đầu cầu góc hợp đƣờng tâm dao phay ngón đầu cầu pháp tuyến bề mặt gia công vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị đặc trƣng số C số mũ n phƣơng trình Taylor 49 Bảng 2.2 Giá trị CT k cho số vật liệu 49 Bảng 3.1 Kết đo lực với kiểu đƣờng dụng cụ Rough Layer 62 Bảng 3.2 Kết tính giá trị tốc độ biến đổi lực thay đổi đƣờng dụng cụ 63 Bảng 3.3 Kết tính giá trị tốc độ biến đổi lực trung bình VFx 64 Bảng 3.4 Tính tốn giá trị Logarit hóa 65 Bảng 3.5 Kết tính tốn giá trị theo bảng 3.4 66 Bảng 3.6 Kết tính giá trị tốc độ biến đổi lực cắt trung bình VFy 69 Bảng 3.7 Tính tốn giá trị Logarit theo bảng 3.6 70 Bảng 3.8 Kết tính tốn giá trị theo bảng 3.7 71 Bảng 3.9 Kết tính giá trị tốc độ biến đổi lực cắt trung bình VFz 74 Bảng 3.10 Tính tốn giá trị Logarit hóa theo bảng 3.9 74 Bảng 3.11 Kết tính toán giá trị theo bảng 3.10 75 Bảng 3.12 Kết thí nghiệm đo mịn mặt sau VB gia cơng bề mặt elip lõm 85 Bảng 3.13 Bộ số liệu thực nghiệm logarit hóa theo bảng 3.12 85 Bảng 3.14 Kết tính tốn độ tin cậy 86 Bảng 3.15 Kết thí nghiệm đo chiều rộng vết mịn mặt trƣớc Bcr gia công bề mặt elip lõm 88 Bảng 3.16 Bộ số liệu thực nghiệm logarit hóa theo bảng 3.15 ….……………………88 Bảng 3.17 Kết tính tốn độ tin cậy 89 Bảng 3.18 Kết thí nghiệm đo khối lƣợng mịn dụng cụ Vw gia công bề mặt elip lõm91 Bảng 3.19 Bộ số liệu thực nghiệm logarit hóa theo bảng 3.18……………………………….91 Bảng 3.20 Kết tính tốn độ tin cậy 92 Bảng 3.21 Kết thí nghiệm đo chiều cao vết mịn mặt sau VB gia cơng bề mặt nghiêng 95 Bảng 3.22 Kết thí nghiệm đo bề rộng vết mịn mặt trƣớc Bcr gia cơng bề mặt nghiêng 96 Bảng 4.1 Kết đo độ nhám kiểu đƣờng dụng cụ 109 Bảng 4.2 Kết thực nghiệm chất lƣợng bề mặt với kiểu đƣờng dụng cụ 109 Bảng 4.3 Kết đo nhám bề mặt dung sai kích thƣớc gia cơng bề mặt elip lõm 110 Bảng 4.4 Kết tính tốn Logarit hóa theo bảng 4.3 111 Bảng 4.5 Các giá trị tính tốn độ tin cậy 112 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ vịng trịn xây dựng cho vùng bề mặt lồi dạng elip Hình 1.2 Các sơ đồ vòng tròn vùng bề mặt trơn, liên tục bề mặt tự Hình 1.3 Mƣời dạng vùng bề mặt cục bề mặt tự trơn, liên tục Hình 1.4 Một số loại dụng cụ cắt thƣờng sử dụng gia công bề mặt 3D Hình 1.5 Đƣờng dụng cụ gia cơng Contour 2D Hình 1.6 Đƣờng dụng cụ gia cơng 3D Hình 1.7 Một số kiểu đƣờng dụng cụ 2D Hình 1.9 Bƣớc tiến ngang Hình 1.10 Khoảng cách điểm nút Hình 1.11 Chiều cao nhấp nhô gia công dao đầu cầu Hình 1.12 Sơ đồ xác định chiều cao nhấp nhô gia công mặt cong lồi dao đầu cầu Hình 1.13 Sơ đồ xác định chiều cao nhấp nhô gia công mặt cong lõm dao đầu cầu Hình 1.14 Chiều cao nhấp nhơ cắt dao phay trụ đầu phẳng Hình 1.15 Gia cơng mặt cong dao phay ngón đầu phẳng Hình 1.16 Lƣợng dƣ để lại giacơng dao phay ngón đầu phẳng Hình 1.17 Điểm tạo hình vùng bề mặt khác Hình 1.18 Bề mặt khơng gian 3D Hình 1.19 Quỹ đạo điểm tạo hình Hình 1.20 Sơ đồ gia cơng mặt cong lõm góc θ ≠ Hình 1.21 Tạo hình dao phay ngón đầu cầu Hình 1.22 Gia cơng mặt cong lõm dao phay đầu cầu Hình 1.23 Chạy dao theo đƣờng kiểu gạch mặt cắt Hình 1.24 Tối ƣu hóa quỹ đạo đƣờng chạy dao Hình 1.25 Chạy dao theo contour Hình 1.26 Phơi sau gia cơng thơ dao phay ngón đầu với kiểu chạy dao contour Hình 1.27 Gia cơng dao ăn theo trục Z Hình 1.28 Sơ đồ tính đƣờng tạo hình Hình 1.29 Sơ đồ tính hình chiếu đƣờng trịn tạo hình lên măt phẳng Q Hình 1.30 Hình chiếu đƣờng trịn tạo hình lên mặt phẳng vng góc với véc tơ tốc độ chạy dao tức thời Hình 1.31 Hình chiếu đƣờng trịn tạo hình mặt phẳng Q Hình 1.32 Chiều cao nhấp nhô để lại sau gia công Hình 1.33 Chiều cao nhấp nhơ để lại sau gia cơng Hình 1.34 Đƣờng chạy dao tối ƣu viii 8 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 17 18 18 19 20 21 21 22 23 23 23 23 24 24 25 25 26 26 26 Kết đo bề rộng vết mịn mặt trước Bcr dao phay ngón đầu cầu ứng với bảng 3.21 133 134 135 Kết đo độ nhấp nhô (Rmax, Rmin) bề mặt lõi khuôn cánh quạt ứng với bảng 4.3 136 137 138 139 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN MẠNH HÀ 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 Chuyên ngành:... dao phay ngón đầu cầu cần thiết cấp bách Để giải vấn đề này, tác giả lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình bề mặt tự cấu trúc elip lõm gia công máy phay CNC? ??... ngón đầu cầu, độ nhám bề mặt tự - Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt gia công tinh bề mặt lõi khn cánh quạt có dạng elip lõm máy phay CNC Xây dựng công thức thực nghiệm