4. Nội dung nghiên cứu
2.3Mô hình lực cắt khi phay
Khi phay tinh với trục dao cố định và phôi c ó mặt nghiêng một góc thì có kiểu chạy dao như hình vẽ:
Hình 2 2.Kiểu chạy dao theo biên dạng chi tiết
38 Đường chạy dao được xác định bởi di chuyển của một điểm trên dao phay, thường lấy tâm C của đầu cầu trên dao phay. Trong quá trình gia công giữa đường bao của lưỡi dao và bề mặt phôi là điểm PC , tại đây vẽ véc tơ pháp tuyến với bề mặt gia công nc.
OC=OPC+R0.nc (2.15)
O là điểm gốc của hệ toạ độ phôi, R0 là bán kính của đầu cầu. Véc tơ pháp tuyến nc của bề mặt là hàm sau:
nc= -sin .X cos.Z (2.16)
Giữa bề mặt phôi trước và sau gia công có khoảng cách dn, tại X = 0, độ cao bề mặt sau gia công là Z0. Độ cao của một điểm cắt trên bề mặt gia công được tính từ ZPS (toạ độ của điểm P đang tham gia cắt) như sau:
Hình 2 4
Điểm tâm đầu cầu C xác định được từ (2.15) đến (2.17) ZC(XPC)= Z0 + XPC.tan + R0.cos (2.18)
39
Hình 2 5
Vận tốc vòng f của dao là hằng số trong một lần gia công nhưng thay đổi nếu chọn phương pháp phay khác nhau, phụ thuộc vào góc s ,z trong mặt phẳng (x,y) và lượng ăn dao trên một răng:
(2.19)
* Xác định các ràng buộc của dụng cụ cắt:
Tại bất kỳ thời điểm gia công nào, điểm cắt được phân tích trong hệ toạ độ 0xyz, phụ thuộc vào biên dạng bề mặt chi tiết gia công.
Hình 2 6 Các ràng buộc của dụng cụ cắt
40 kiện:
- Vị trí tương quan của bề mặt chưa gia công dọc theo 3 trục toạ độ, đặc biệt theo trục Z.
- Đường chạy dao trước
- Vị trí cắt của răng trước của dao
Điểm P có toạ độ trong hệ toạ độ O xyz:
Với các toạ độ xp, yp, zp :
R(z) và j (z) bán kính và góc tại vị trí cắt P có độ cao z. Các điều kiện để kiểm tra sự ăn vào của lưỡi cắt đến bề mặt phôi:
Chiều dài L0 và chiều rộng W0 của phôi.
Điểm cắt P thuộc lưỡi cắt khi gia công thoả mãn điều kiện 1 và 2: 0 X P L0
0 YP W0 (2.23)
Bề mặt bất kỳ, chiều cao của bề mặt chưa gia công xác định trong hệ toạ độ GCS từ phương trình (2.17):
P là một điểm cắt trong hệ toạ độ GCS nếu thoả mãn điều kiện sau: Điều kiện 3: 0 Z
P Z
PS ( X P) (2.25)
Lưỡi cắt thực của dao trong mặt phẳng (X,Y) chứa điểm P so sánh với với đường chạy dao trước khi đường chạy dao vẫn song song với đường chạy dao trước có khoảng chạy dao nhất định. Để điểm P là điểm tham gia cắt không lặp lại phần gia công truớc thì thoả mãn điều kiện 4:
41 Kiểu chạy dao từ dưới lên hay từ trên xuống và chiều quay của dao đều ảnh hưởng đến góc x ,z .
Với: RP = R.(ZP - (xp.cosx + p .sinx ).tan )
Vị trí cắt tiếp theo được so với đường chạy dao của lưỡi cắt trước xác định xem điểm P nằm trong hoặc ngoài vùng đã gia công, giả thiết vùng cắt trước giới hạn bởi cung tròn trong mặt phẳng (x,y) có độ cao Zp (mặt phẳng chứa điểm P). Trên phần cầu của dao (0 Z
P R0) phoi được hình thành có kích thước chiều dày t0 xác định bởi tích vô hướng giữa lượng ăn dao trên răng và véc tơ pháp tuyến er với đường bao của dao tại P.
Trong đó: ftx, fty, ftz là lượng ăn dao trên lưỡi cắt chiếu ft lên các trục toạ độ x, y, z. Giá trị của t0 là cần thiết để xác định vị trí của P có trong vùng cắt hay không.
Điều kiện 5: P thuộc vùng cắt nếu t0 > 0.
Tất cả 5 điều kiện trên đều được xác định thì điểm P là điểm tham gia cắt của quá trình phay.
* Thoát dao
Trong khi phay, thoát dao có xét đến vì nó có ảnh hưởng lớn đến lực cắt và chất lượng bề mặt. Một mô hình chính xác để tính toán tất cả hình dạng gia công thực tế và chẩn đoán sai số và phương thức bù bằng thay đổi lượng ăn dao.
Thoát dao khi dao vẫn quay với lượng bù dao có thể được phân ra một trục nghiêng và bù so với tâm dao. Thoát dao theo trục nghiêng thường sử dụng quá trình phay bề mặt nơi mà bề mặt phức tạp khó định vị được dụng cụ cắt và là nơi đường kính của dao tăng đến giá trị lớn nhất. Trong quá trình phay bằng dao phay đầu cầu, giới hạn đường kính dao và hình dáng tròn của dao cho phép bỏ qua trục nghiêng nếu chiều dài của dao bị giới hạn.
* Vận tốc cắt
V = .R
e(z
42 Vận tốc cắt thay đổi liên tục trong quá trình phay, góc n và góc nghiêng s
thay đổi rất ít. Tất cả sự thay đổi này có ảnh hưởng đến lực cắt.
* Kết luận
Các khảo sát về cơ chế tạo hình bề mặt bằng dao phay đầu cầu đã có một số kết quả theo các nhận định dưới đây :
Cơ chế tạo hình hình học của dao phay đầu cầu được phân tích với các phương trình cơ bản để xác định điểm giao nhau của lưỡi dao và bề mặt gia công làm cơ sở nghiên cứu hình học của bề mặt chi tiết gia công.
Đã xác định được mối quan hệ giữa thông số hình học của dao với phôi có ảnh hưởng đến độ nhấp nhô bề mặt, lực cắt, nhiệt cắt, tuổi thọ của dao.
Độ nhấp nhô bề mặt phụ thuộc vào góc nghiêng:
Mục đích tiếp cận quá trình phay bằng dao phay đầu cầu với bề mặt chi tiết phức, lưỡi cắt được phân tích bằng thành phần nhỏ hơn. Đối với mỗi lưỡi cắt thành phần, phoi được hình thành bởi các điều kiện cắt khác nhau có dạng khác nhau. Thoát dao trên bề mặt phôi được xác định bởi tính toán vị trí của mỗi lưỡi cắt có quan hệ với bề mặt phôi ban đầu, với tọa độ của bề mặt chưa gia công và đường chạy dao trước. Cách này còn áp dụng đối với bề mặt có hình dáng hình học phức tạp và điều chỉnh đường chạy dao bằng mô tả bề mặt chi tiết gia công và điều kiện biên đã xác lập.
43
CHƢƠNG 3: C C YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ M T CHI TIẾT KHI PHAY TINH.
3.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công khi phay tinh bằng dao phay đầu cầu
Sau khi nghiên cứu cơ chế tạo hình bề mặt chi tiết ở chương 2, thấy rằng chất lượng bề mặt chi tiết chịu ảnh hưởng của một số yếu tố kĩ thuật cơ bản sau :
3.1.1 Ảnh hưởng của điều kiện cắt
Lực cắt có ảnh hưởng quyết định đến nhiệt cắt, quá trình mòn dụng cụ, do đó ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác gia công. Vì vậy, việc xây dựng mô hình lực cắt trong điều kiện gia công cụ thể sẽ góp phần cho việc thực hiện tối ưu hóa quá trình cắt, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của nguyên công phay.
3.1.2 Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt :
Nhiệt trong quá trình cắt tác động đến:
- Dụng cụ cắt: Nhiệt cắt làm giảm độ cứng, độ bền cơ học, tăng độ mòn, ảnh hưởng xấu đến khả năng cắt.
- Vật liệu gia công: Nhiệt cắt làm nóng chi tiết gia công, gây biến dạng nhiệt, độ chính xác gia công giảm. Nhiệt cắt gây biến đổi cấu trúc kim loại lớp bề mặt, tạo ra ứng suất dư kéo, tác động xấu đến chất lượng lớp vật liệu bề mặt chi tiết.
- Tác động vào hệ thống công nghệ: Máy - dao - chi tiết.
- Nhiệt lượng phát sinh khi cắt lớn, thì công cơ học tiêu hao cho quá trình cắt sẽ lớn. Vì vậy giảm nhiệt cắt cho phép tăng năng suất cắt, tăng độ chính xác hình học chi tiết, nâng cao hiệu quả của quá trình cắt.
3.1.3 Điều kiện cắt ảnh hưởng đến nhiệt cắt [2]:
- Ảnh hưởng của tốc độ cắt:
Khi tăng tốc độ cắt nhiệt lượng phát sinh tăng.
Từ biểu thức trên thấy rằng tốc độ cắt V tăng Q tăng và nhiệt độ vùng cắt tăng theo. Song nhiệt độ không tăng tỷ lệ với tốc độ cắt như nhiệt lượng Q.
Quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ cắt biểu thị bằng biểu thức:
C .V u
44 C1: hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công
u: số mũ biểu thị mức độ ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhiệt cắt, u = 0,26 - 0,72. Lực cắt giảm kết hợp tăng vận tốc cắt V, giá trị cao của V nhằm ổn định quá trình cắt và chất lượng bề mặt. Điều đó làm cho lượng ăn dao thay đổi ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, những yếu tố này còn phụ thuộc vào tỷ lệ độ dày phoi t0. Giá trị lượng ăn dao cao nhất là 0,2 mm/rev nhằm giới hạn hiệu quả cào xước nhưng làm tăng độ võng dụng cụ và mòn dao.
Giảm lượng chạy dao làm giảm lực cắt nhưng độ chính xác về hình học của chi tiết phụ thuộc vào giá trị của p thường không ổn định. Giá trị này có thể được so sánh với tính toán lý thuyết đạt được bởi sử dụng mô hình tính toán giảm thiểu độ võng dụng cụ và rung động. Tuy nhiên, sau khi gia công bán tinh sự đối lập giữa lực cắt và kiểu cắt như sau: lực cắt tổng thể giảm không đồng đều trên các trục. Điều này rất quan trọng để giới hạn độ võng của dao.
Kiểu chạy dao từ trên xuống nhằm ổn định quá trình cắt và đạt bề mặt tốt hơn, với lượng chạy dao nhỏ. Kiểu cắt từ dưới lên có hiệu quả khi đỉnh dao rộng để tham gia cắt bằng cách giới hạn lưỡi cắt thông thường, và giá trị lượng chạy dao lớn.
3.1.4 Ảnh hưởng của kiểu thoát dao
Độ võng và rung động của dao có thể tránh được bằng cách giới hạn và điều khiển các điều kiện cắt với cách chọn dụng cụ và gá dụng cụ. Bên cạnh đó kiểu thoát dao cũng ảnh hưởng lớn đến rung động của dao. Trong khi phay, các lỗi kĩ thuật ảnh hưởng đến bản thân dụng cụ (mòn, tính không đối xứng, thao tác lắp dao, không cân bằng động lực học và biến dạng nhiệt…) nhưng cơ bản vẫn là lượng bù giữa vị trí của trục quay dao và trục quay thẳng đứng. Vì vậy dao quay xung quanh trục thẳng đứng với độ lệch tâm nhất định. Sự lệch tâm làm thay đổi cách ăn dao và điều kiện cắt (vận tốc cắt và góc). Thoát dao có ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt và rung động, nó phụ thuộc vào độ chính xâc thông số hình học của trục thẳng đứng của dao và trục gá dao. Ảnh hưởng của nó quyết định đến việc hình thành phoi có chiều dày t0, trường hợp này làm cho một hoặc một vài lưỡi cắt có thể không tham gia cắt.
Lực cắt có thay đổi bởi các thông số hình học đặc biệt khi góc nghiêng tăng dần.
45 đến chất lượng bề mặt và làm giảm tính ổn định của chất lượng bề mặt. Độ lệch tâm e lớn làm chất lượng bề mặt không ổn định. Ảnh hưởng của bán kính bù dao tăng lên cùng góc nghiêng, góc nghiêng giữa dao và phôi là thông số tối ưu để giới hạn giá trị thoát dao.
Mòn dao cũng có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác hình học của bề mặt chi tiết. Sự không đồng nhất giữa lực cắt thực trên lưỡi cắt do sự không đối xứng gây ra mòn dao, kéo theo tuổi thọ giảm trên lưỡi cắt này có thể tăng trên lưỡi cắt khác.
3.1.5 Ảnh hưởng của tì dao lên bề mặt gia công
Hiện tượng chảy vật liệu xảy ra xung quanh lưỡi cắt do lực cắt thành phần Fz. Thực ra, chảy vật liệu làm xuất hiện hiện tượng trượt trên bề mặt dẫn tới lực tì lên bề mặt lớn. Lực tì tăng dần xung quanh vùng đỉnh dao nơi mà vận tốc cắt và chiều dày phoi dần tới không (0) (tại đây lực tì lớn nhất). Lực cào xước có phương pháp tuyến với đường bao của dao và tại đỉnh dao nó trùng với trục z.
Độ sắc của lưỡi cắt ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cắt và hiện tượng tì dao. Khi dao bị mòn muốn tăng lực cắt chính thì lực tì lên bề mặt cũng lớn, khó nâng cao đồng thời cả tuổi thọ dụng cụ và giới hạn lưỡi cắt tham gia cắt khi chọn góc nghiêng, góc hở giữa hai lưỡi cắt, góc xoắn ốc và bán kính cạnh cắt. Đối với chọn lựa khi phay, góc nghiêng và góc giữa hai lưỡi cắt chọn giá trị nhỏ và ảnh hưởng của lực tì có thể được điều chỉnh.
Hiện tượng tì đỉnh dao lên bề mặt chi tiết làm tăng lực cắt, nó cũng ảnh hưởng đến các tính chất cơ bản của bề mặt (độ nhám bề mặt, ứng suất dư lớn dần) và giảm tuổi thọ dụng cụ, vì thế nên tránh hiện tượng này. Ảnh hưởng của tì lên bề mặt có thể được giới hạn bằng cách tăng độ nghiêng giữa dao và phôi, giữ cho vùng đỉnh dao không tham gia cắt gọt.
3.1.6 Ảnh hưởng của góc nghiêng giữa dao và phôi
Lực cắt thành phần Fx, Fy, Fz có giá trị phụ thuộc vào góc nghiêng và hình dáng hình học bề mặt gia công. Có một số cách chạy dao khác nhau: chạy dao theo đường cong của biên dạng chi tiết từ dưới lên, chạy theo đường cong của biên dạng chi tiết từ trên xuống, chạy dao theo phương ngang từ trái sang phải, chạy dao theo phương ngang từ phải sang trái. Mỗi kiểu chạy dao như vậy đều chọn kiểu thoát dao, bù dao phù hợp và các thông số hình học tối ưu sẽ nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết.
46 Góc nghiêng giữa dao và phôi nhằm mục đích tránh việc tham gia của đỉnh dao vào quá trình gia công và giới hạn tổng hợp lực tì vào bề mặt chi tiết theo phương trục Z. Các lực cắt thành phần Fx, Fy, Fz đều thay đổi khi thông số hình học (góc gá dao hay phôi) trong quá trình gia công thay đổi.
3.2 Giải pháp tối ƣu để nâng cao chất lƣợng bề mặt khi phay tinh bằng dao phay đầu cầu
Từ các yếu tố ảnh hưởng của các thông số kĩ thuât như hình dáng hình học của phôi và dao, chế độ cắt, lực cắt quyết định đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công, đến độ mòn dao, tuổi thọ của dụng cụ cắt.
Trong phạm vi của đề tài, nghiên cứu ảnh hưởng của góc gá đặt phôi và dao, kết hợp với việc chọn kiểu dụng cụ tối ưu để đảm bảo các thông số hình học cần thiết trong quá trình gia công nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết và khắc phục một số nhược điểm trên bề mặt chi tiết trong thực tế.
3.2.1 Chọn thông số gá đặt tối ưu để tránh cắt ở đỉnh dao
Dao phay đầu cầu được sử dụng để gia công hoàn thiện các bề mặt cong phức tạp trong công nghệ sản xuất vỏ máy bay, khuôn đúc…. Quá trình cắt gọt của phần bán cầu trên dao là rất phức tạp, bởi vì lưỡi cắt được xác định trên mặt cầu. Khi gia công bề mặt phức tạp thì chất lượng bề mặt chi tiết phụ thuộc vào dạng của bề mặt (vì dạng của bề mặt sẽ quyết định vị trí tham gia cắt thực). Khi xem xét khả năng cắt của phần đầu cầu trên dao có thể nhận thấy rằng vị trí đỉnh dao là nơi quá trình cắt diễn ra rất phức tạp, là nơi có vận tốc cắt nhỏ, lực cắt lớn. Chính vì vậy mà trong quá trình gia công người ta cần hạn chế đến mức tối đa sự tham gia của khu vực này vào quá trình cắt gọt.
Như trên đã nói, đoạn lưỡi cắt của dao phay cầu tham gia cắt phụ thuộc vào vị trí tương quan giữa trục dao và bề mặt gia công. Để xác định điều kiện tránh cắt ở đỉnh dao, bằng phương pháp phân tích hình học khi xem xét trường hợp dao gia công mặt nghiêng như sơ đồ cắt hình 3.1. Theo sơ đồ này vị trí của dao phay được xác định trong hệ toạ đề các theo tiêu chuẩn ISO R-841-1968 đối với máy phay CNC, gốc toạ độ là tâm của chỏm cầu. Vị trí tương quan giữa dao và phôi được xác định thông qua góc