3. Cơ sở, mục đích, phạm vi nghiên cứu của luận văn
3.3.3. Ảnh hưởng của đường chạy dao khi gia công
a. Trong gia công thô (Rough)
Khi gia công thô hốc, mục đích là lấy đi lượng dư của chi tiết, khử các sai số hình dáng hình học của phôi, tạo lượng dư đồng đều cho gia công tinh. Vì vậy khi gia công thô người ta thường gia công với bước tiến dao lớn, lượng dư mỗi lần cắt lớn và chọn phương án chạy dao sao cho lượng dư để lại được đồng đều trên bề mặt phôi cho bước gia công tinh, nếu lượng dư không đồng đều thì khi gia công tinh chiều sâu cắt thay đổi, làm cho lực cắt thay đổi gây ra sai số hình dạng trên chi tiết.
Với phần mềm SolidCam cho phép thực hiện các phương án chạy dao khi gia công thô sau:
Đường chạy dao dạng đường gạch mặt cắt (Hatch roughing), Hình 3-30
Hình 3-30 Chạy dao theo đường kiểu gạch mặt cắt
Với kiểu chạy dao này cho phép đặt đường chạy dao nghiêng một góc nhất định so với trục X, kiểu đường chạy dao này thích hợp với việc gia công các hốc dạng hình hộp chữ nhật hoặc bề mặt phẳng. Với phương án chạy dao này nếu
phương chạy dao song song với cạnh của bề mặt cần gia công thì cho phép lấy đi lượng dư tốt nhất trên chi tiết.
Khi gia công với đường chạy dao là đường dạng gạch mặt cắt với các hốc có các biên dạng cong ở giữa, phương pháp này cho phép người dùng lựa chọn tối ưu hóa quỹ đạo chạy dao (Keep cutting direction), Hình 3-31, khi quỹ đạo của đường chạy dao được tối ưu hóa thì khi gặp các biên dạng cong nó sẽ uốn theo biên dạng đó và khả năng lấy đi lượng dư là lớn nhất, giúp cho bước gia công thô để lại lượng dư trên bề mặt đồng đều hơn.
Đường chạy dao là đường Contour (Hình 3-32)
Với kiểu chạy dao này đường dao sẽ chạy theo từng đường kín uốn theo biên dạng chi tiết cần gia công từ trong ra ngoài hoặc từ ngoài vào trong để cắt hết lượng dư gia công.
Hình 3-31 Tối ưu hóa quỹ đạo đường chạy dao
Phương pháp chạy dao theo contour nếu phay hốc với cùng một chế độ cắt sẽ cho năng suất cao hơn phương án chạy dao theo kiểu gạch mặt cắt, ví dụ khi gia công hốc như trên Hình 3-32, với chế độ cắt như nhau, khi gia công chọn phương án chạy dao theo contour thời gian gia công là 1 giờ 19 phút, cũng với cùng chế độ cắt trên, khi chọn phương án chạy dao theo kiểu gạch mặt cắt thì thời gian gia công là 1 giờ 36 phút.
Tuy nhiên với phương án chạy dao này khi gia công chi tiết có bề mặt cong 3D thì lượng dư để lại giữa các lớp cắt rất lớn và không đều nhau như trên Hình 3-33, do đó lượng dư để lại cho bước
gia công liền sau không đồng đều và dẫn đến sai số gia công do yếu tố hình học của nguyên công sát trước để lại.
Như vậy để tiết kiệm thời gian gia công khi gia công chi tiết có bề mặt 3D thì ta có thể sử dụng phương án đường chạy dao theo contour và để lại một lượng dư đủ để thực hiện gia công bán tinh và gia công tinh.
Ta có thể tính số nguyên công theo công thức sau (theo tài liệu [3]):
Hình 3-33 Hình dạng phôi sau gia công thô bằng dao phay ngón đầu bằng với kiểu chạy dao contour
Với Δct : là dung sai của chi tiết Δct : là dung sai của phôi
K : là hệ số chính xác sau n lần cắt
Chạy dao theo phương án dao ăn theo trục Z hết chiều sâu
Với phương án chạy dao này khi sử dụng dao phay ngón, dao sẽ cắt theo lưỡi cắt mặt đầu, khả năng cắt của dao sẽ kém hơn do đó không thể cắt với tốc độ chạy dao lớn.
b. Gia công bán tinh (Semi-finish) và gia công tinh (finish).
Gia công bán tinh nhằm mục đích tạo ra bề mặt chi tiết có lượng dư đồng đều cho bước gia công tinh, ở bước gia công bán tinh có thể sử dụng chế độ cắt cao, dung sai đạt được có giá trị nhỏ hơn nhiều so với gia công thô.
Lượng dư còn lại sau bước gia công bán tinh sẽ được hớt hết bởi bước gia công tinh, bước này quyết định rất nhiều đến độ chính xác của bề mặt chi tiết gia công, do vậy với từng bề mặt cụ thể mà ta lựa chọn kiểu đường chạy dao khác nhau để chất lượng bề mặt đạt được tốt nhất.
Việc lựa chọn phương án chạy dao cần tùy thuộc vào dạng chi tiết cần gia công mà ta có lựa chọn phù hợp sao cho chiều cao nhấp nhô sau gia công là nhỏ nhất.
Trong phần 3.2 chúng ta đã xét ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến chất lượng bề mặt không gian, với dao phay đầu cầu gia công với bước tiến ngang nhỏ, khi gia công mặt tạo hình của dao cầu là mặt cầu do đó chiều cao nhấp nhô hình thành sau khi gia công là như nhau đối với bất kỳ kiểu chạy dao nào. Vậy ở đây chúng ta chỉ xét ảnh hưởng của hình học đường chạy dao trong trường hợp gia công bằng dao phay ngón đầu phẳng.
Do dụng cụ cắt chuyển động quay với vận tốc tương đối lớn (khoảng vài nghìn vòng/phút) cho nên điểm cắt của dao có thể coi là một đường tròn tạo hình, đường tròn đó có tâm trùng với tâm của dao và bán kính bằng với bán kính dao.
Hình 3-35 Sơ đồ tính đường tạo hình
Giả sử M là điểm tiếp xúc giữa dụng đường tròn tạo hình và bề mặt chi tiết n : Là véc tơ pháp tuyến của bề mặt cong tại điểm M
V : Là véc tơ hướng chạy dao tức thời tại điểm M
Khi đó nhìn theo phương của véc tơ V đường tròn tạo hình suy biến thành đường ellips, hay nói cách khác đường tạo hình nhìn theo phương véc tơ V là hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng qua điểm M và vuông góc với véc tơ V (gọi là mặt phẳng P).
Đặt tại điểm tiếp xúc M một hệ trục tọa độ OXY như trên Hình 3-36 với trục OX là tiếp tuyến của bề mặt chi tiết tại điểm M.
Giao tuyến của mặt phẳng P với mặt phẳng OXY là đường thẳng d, góc gữa đường thẳng d và trục OX là góc α.
Góc giữa mặt phẳng P và mặt phẳng OXY là góc θ.
Trên mặt phẳng P đặt một hệ trục tọa độ X’OY’ sao cho OX’ trùng với đường giao tuyến d.
Hình chiếu của tâm đường tròn tạo hình I lên mặt phẳng P là I’1, ta có tọa độ của điểm I’1 trong hệ tọa độ X’OY’ là:
X’1 = R.sinα Y’1 = -R.cosα.cosθ
Hình 3-37 Hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng vuông góc với véc tơ tốc độ chạy dao tức thời
Hình 3-36 Sơ đồ tính hình chiếu của đường tròn tạo hình lên măt phẳng P
Khi chiếu đường tròn tạo hình lên mặt phẳng P thì theo phương OX’ đường kính đường tròn giữ nguyên chiều dài, lúc này là trục dài của ellips (bán trục dài là R), theo phương OY’ bán trục ngắn của ellips là R.cosθ Phương trình đường ellips (hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng P) trong hệ tọa độ X’OY’ có tâm I’ là:
( ) ( )
( ) Khảo sát phương trình đường ellips 3-28 ta thấy khi góc α tăng thì góc nghiêng của trục dài đường ellips tạo hình so với mặt phẳng tiếp tuyến của bề mặt chi tiết tại điểm tiếp xúc M càng lớn và tâm của ellips càng dịch chuyển ra xa điểm tiếp xúc theo trục OX’ hay nói cách khác khi góc α tăng thì điểm tiếp xúc (cũng là điểm gốc tọa độ O) M sẽ dịch chuyển về phía đầu cung nhỏ của ellips, và ngược lại khi góc α giảm thì điểm tiếp xúc M sẽ
dịch chuyển về phía bán kính cong lớn của đường ellips (Hình 3-40a ứng với góc α = 90o và hình b ứng với góc α = 0o).
Khi dụng cụ cắt dịch chuyển theo phương V thì đường ellips này sẽ quét trong không gian tạo thành khối quét, khối quét này tiếp xúc với bề mặt cần gia công theo đường dịch chuyển của dụng cụ (điểm M dịch chuyển theo V) và phần giao giữa khối này và phôi là phần lượng dư sẽ được lấy đi khi gia công.
3-28
Hình 3-38 Hình chiếu của đường tròn tạo hình trên mặt phẳng P
Hình 3-39 Chiều cao nhấp nhô để lại sau gia công
a. b.
Hình 3-40 Khả năng lấy lượng dư tại mỗi vị trí tiếp xúc
Nhìn trên Hình 3-40 ta thấy ở trường hợp b lượng dư được lấy đi nhiều hơn và bề mặt tạo thành gần đúng với bề mặt chi tiết hơn, do đó chất lượng bề mặt sau gia công sẽ tốt hơn.
Như vậy nếu chỉ xét tới yếu tố ảnh hưởng là α, khi α càng nhỏ thì lượng vật liệu trên bề mặt cần gia công được hớt đi càng lớn và chiều cao nhấp nhô hs để lại càng nhỏ và ở vị trí góc α = 0o
(khi véc tơ hướng chạy dao tức thời nằm trong mặt phẳng chứa véc tơ pháp tuyến n và trục dụng cụ) thì lượng hớt vật liệu sẽ tốt nhất. Khi α = 90o thì chiều cao nhấp nhô để lại là lớn nhất.
Xét yếu tố ảnh hưởng là góc nghiêng θ của véc tơ hướng chạy dao tức thời và phương của trục dao.
Từ công thức tính bán trục nhỏ của ellips b = R.cosθ ta thấy khi góc θ càng tăng thì b càng giảm, nghĩa là hình ellips càng dẹt, do vậy mà biên dạng thực của chi tiết sau khi gia công càng gần với biên dạng lý thuyết và khi θ = 0 thì hình ellips trở thành một đường thẳng, đường thẳng này quét theo hướng của véc tơ hướng chạy dao tức thời V tạo thành một mặt phẳng.
phẳng của chi tiết trùng nhau (véc tơ pháp tuyến n trùng với trục dao và vuông góc véc tơ hướng chạy dao tức thời) thì lượng dư trên bề mặt chi tiết được hớt đi hết, khi đó bề mặt thực của chi tiết sau gia công trùng với bề mặt lý thuyết và đây là trường hợp lý tưởng của đường chạy dao trong gia công.
Trường hợp véc tơ pháp tuyến n trùng với trục dao và vuông góc véc tơ hướng chạy dao tức thời chỉ đạt được khi gia công các mặt phẳng vuông góc với trục dao, phần đỉnh của mặt cong và gia công trên máy phay 5 trục.
Kết luận:
Trong gia công bề mặt không gian, để chất lượng bề mặt chi tiết đạt được tốt nhất (ở góc độ độ chính xác hình học) về mặt lý tưởng là lựa chọn sao cho trục của dao trùng với véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công và vuông góc với véc tơ hướng chạy dao tức thời.
Trong gia công trên máy phay CNC 3 trục thì không thể lựa chọn được phương án trục của dao trùng với véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công, do đó để chiều cao nhấp nhô còn lại trên bề mặt chi tiết sau khi gia công là nhỏ nhất thì phải chọn đường chạy dao sao cho véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công, véc tơ hướng chạy dao tức thời và trục của dao cùng nằm trên một mặt phẳng (Hình 3-41). Trong trường hợp này khi góc giữa véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công và trục của dao càng nhỏ (hay góc giữa véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công và véc tơ hướng chạy dao tức thời càng lớn) thì chiều cao nhấp nhô của bề mặt đạt được càng nhỏ, và đây chính là phương án đường chạy dao tối ưu trong gia công trên máy phay 3 trục.
Hình 3-41 Đường chạy dao tối ưu
Để đạt được chất lượng bề mặt theo như phần nghiên cứu trên khi ứng dụng các phần mềm CAD/CAM trong gia công tinh bề mặt không gian ta có các phương án chạy dao sau:
Với dạng bề mặt cong đơn (như trên Hình 3-42)
Với dạng bề mặt này ta chọn phương án chạy dao như trên Hình 3-42, đó là các kiểu đường chạy dao theo dạng đường kẻ (Linear), trong đó có các lựa chọn chạy dao Zigzag, chạy dao theo một hướng nhất định (One way). Với các phương án chạy dao này sẽ đảm bảo trục dao, véc tơ pháp tuyến của bề mặt gia công tại điểm tiếp xúc và véc tơ hướng chạy dao tức thời nằm trong một mặt phẳng, khi đó chiều cao nhấp nhô của bề mặt đạt được là nhỏ nhất.
Mô phỏng gia công dạng bề mặt chi tiết trên với phần mềm CATIA với phương án chạy dao tối ưu đã đưa ra (Hình 3-43.b) và phương án chạy dao khác (Hình 3-43.b):
Đường chạy dao
Hình 3-42 Chạy dao theo đường uốn theo biên dạng (linear)
a. b.
Hình 3-43 Gia công mặt cong với các phương án đường chạy dao khác nhau
Từ kết quả mô phỏng với hai trường hợp gia công có cùng chế độ cắt nhưng khác nhau về phương án hình học đường chạy dao ta thấy kết quả chất lượng bề mặt đạt được chênh lệch nhau rõ rệt trường hợp gia công với phương án đường chạy dao tối ưu như đã nghiên cứu lý thuyết cho kết quả tốt hơn.
Gia công bề mặt dạng chỏm cầu
Bề mặt chỏm cầu gồm mặt chỏm cầu lồi và bề mặt chỏm cầu lõm (Hình 3-44)
Hình 3-44 Bề mặt dạng chỏm cầu
Gia công bề mặt dạng chỏm cầu để trục dao, véc tơ pháp tuyến của bề mặt gia công tại điểm tiếp xúc và véc tơ hướng chạy dao tức thời nằm trong một mặt phẳng như phần nghiên cứu trước thì phải chạy dao theo phương án đường chạy dao hình tia, dao chạy từ đáy (chỏm cầu lõm) hoặc từ đỉnh (chỏm cầu lồi) ra ngoài.
a. b.
Hình 3-45 Phương án chạy dao khi gia công mặt chỏm cầu
Ứng dụng phần mềm SolidCAM để mô phỏng quá trình gia công bề mặt chỏm cầu với phương án chạy dao đã lựa chọn (Hình 3-45.a) và sau khi gia công kết quả bề mặt chi tiết đạt được như trên Hình 3-45.b với chỏm cầu lồi và Hình 3-46.a với chỏm cầu lõm
a. b.
Hình 3-46 Chỏm cầu lõm được mô phỏng sau gia công
Cũng gia công các bề mặt chỏm cầu này với cùng chế độ cắt nhưng phương án đường chạy dao khác nhau được kết quả như Hình 3-46b và Hình 3-47a với phương án chạy dao kiểu đường kẻ, trên Hình 3-47b là phương án chạy dao kiểu xoắn ốc.
a. b.
Hình 3-47 Gia công bề mặt chỏm cầu với các phương án chạy dao khác nhau
Như vậy từ các kết quả mô phỏng bằng phần mềm CAD/CAM trên ta thấy lý thuyết đường chạy dao theo nghiên cứu với dạng bề mặt chỏm cầu cho ta chất lượng bề mặt gia công tốt nhất.
Gia công thành bên của hốc hay thành bên của biên dạng ngoài có véc tơ pháp tuyến của bề mặt tại điểm bất kỳ vuông góc với trục dao (vách dựng đứng)
Với gia công dạng bề mặt này thì điểm cắt của dao không phải là một điểm như đã xét ở phần trước nữa mà là một đường, khi dao quay với tốc độ tương đối lớn thì đường này tạo thành một khối trụ và khối trụ này di chuyển theo đường chạy dao sẽ hình thành khối quét, thể tích của phần giao nhau giữa khối quét này và phôi chính là lượng dư sẽ được lấy đi. Như vậy
với dạng bề mặt này thì phương án đường chạy dao tốt nhất là chạy dao theo biên dạng cần gia công, khi đó đường tạo hình sẽ quét thành mặt phẳng và mặt phẳng này trùng với bề mặt chi tiết và lượng dư sẽ được lấy đi hết.
Bề mặt dạng hình côn (Hình 3-49)
Với dạng bề mặt hình côn cũng giống như dạng bề mặt cầu, phương án chạy dao tốt nhất cho dạng bề mặt này là phương án chạy dao theo tia.
Dạng bề mặt nghiêng (Hình 3-50)
Với việc gia công dạng mặt nghiêng này để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất là chọn đường chạy dao sao cho trục dao, véc tơ pháp tuyến