Một phương pháp thiết lập đường chạy dao gia công cho máy phay vạn năng CNC ba trục
Trang 1MỘT 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…
Trang 2Chính 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
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
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 :
δ
Trang 3(-) cos
A F dm
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 :
, : mođun của bánh răng nón xét trên mặt nón phụ thứ j
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) :
⎪⎩ với : rexj =rebj/ cosαx và: invαx =tgαx−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
Trang 4(4) Trong đó : αxlà tham số với :
, ta xây dựng được phương trình gia công cho biên dạng thân
(8)
Bằng cách tương tựkhai 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
ơng 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
Trang 53 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 cắtTính 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
NO YES
i ≥ Z Quay hệ tọa độ quanh trục Z để gia công răng kế tiếp ; i = i +1
Trang 6+ 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
Trang 7phần 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
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
răng điểm đo trên prophin
-4-3-2-1012345
