Ảnh hưởng của góc nghiêng giữa dao và phôi

4. Nội dung nghiên cứu

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 nghiêng là góc hợp bởi bề mặt pháp tuyến với bề mặt gia công và trục dao phay (quay quanh trục Y).

47

Hình 3 1 Phương thức chuyển dao khi phay mặt phẳng bằng dao phay đầu cầu

a) Chuyển dao từ dưới lên. b) Chuyển dao từ trên xuống. + Khi chuyển dao từ dưới lên

> arcsin(

+ Khi chuyển dao từ trên xuống

Ngược lại dao sẽ cắt ở đỉnh nếu: + Khi tiến dao lên

+ Khi tiến dao xuống

Trong đó:

là góc hợp bởi đường tâm dao và pháp tuyến của bề mặt gia công tại vị trí xét p là bước tiến dao ngang;

R là bán kính của dao ap là chiều sâu cắt

Sự thay đổi giá trị của góc sẽ dẫn đến độ nhám bề mặt khác nhau.

48

thẳng đứng (trục của dao phay):

Hệ trục tọa độ và vị trí giữa dao- chi tiết như hình 1.1, vậy cần khảo sát véc tơ pháp tuyến trong mặt phẳng (XOZ) và (YOZ).

Phương trình của các pháp tuyến khi biết tọa độ của các điểm thuộc bề mặt chi tiết gia công M0 ( X0, Y0, Z0) với X0min < X0 < X0max; Y0min < Y0 < Y0max; Z0min < Z0 < Z0max; Các điều kiện này xác định từ chi tiết thực tế. B min B B max

Bề mặt chi tiết gia công có phương trình tổng quát: F(X,Y,Z) = 0 hay Z = F(X,Y), với phương trình pháp tuyến trong bảng 1.

Xác định véc tơ pháp tuyến MB( B , 0 ), với góc khảo sát và tính toán là góc tạo bởi gradient hướng theo pháp tuyến của bề mặt và véc tơ đơn vị của các trục tọa độ (trục của dao hay trục OZ).

Trong mặt phẳng (YOZ):

và theo toán học giá trị của hàm cosin là:

Trong mặt phẳng (XOZ):

49 nếu cosB 1 ( tại điểm cực trị của bề mặt chi tiết) thì pháp tuyến có phương trùng với trục Z, đây là phương của trục gá dao nên tại đây đỉnh dao không tham gia cắt nên v = 0 sẽ gây hiện tượng tì dao vào bề mặt chi tiết và xuất hiện hiện tượng độ nhám bề mặt chi tiết không đồng đều. Điều kiện của pháp tuyến là | | tương đương với điều kiện .

3.2.3 Chọn kích thước dụng cụ tối ưu để tạo hình bề mặt của chi tiết gia công

Nếu bề mặt khởi thuỷ K của dụng cụ mà không tồn tại thì tất nhiên không thể tạo ra dụng cụ và cũng không gia công được bề mặt chi tiết. Theo chứng minh và kết luận ―bề mặt khởi thuỷ của dụng cụ được tìm như là mặt bao của họ bề mặt chi tiết.

Prôfin của mặt bao ở một tiết diện xác định được tìm như là đường bao của họ đường cong prôfin chi tiết trong tiết diện đó .[3]

Tuy vậy, không phải tất cả các họ đường cong hoặc họ mặt cong cho trước đều tìm được đường bao hay mặt bao của nó.

Để tồn tại mặt bao (mặt khởi thuỷ) K của dụng cụ cần có điều kiện là pháp tuyến tại các điểm trên bề mặt chi tiết phải vuông góc với véctơ tốc độ chuyển động tương đối giữa chi tiết và dụng cụ.

Vị trí và phương của pháp tuyến tại mỗi điểm của bề mặt chi tiết cho trước là hoàn toàn xác định. Không thể thay đổi vị trí của pháp tuyến N nếu không thay đổi hình dáng chi tiết.

Vì vậy ở sơ đồ gia công đã chọn (tức là biết các chuyển động của chi tiết và dụng cụ) thì yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện tiếp xúc là sự thay đổi hướng tốc độ chuyển động tương đối của cặp bề mặt đó.

Thay đổi hướng tốc độ V tại các điểm của bề mặt chi tiết có thể tạo ra bằng cách thay đổi gá đặt (vị trí) của chi tiết trên máy hoặc bằng cách thay đổi tốc độ chuyển động tương đối của cặp động học (chi tiết và dụng cụ) ở các sơ đồ gia công phức tạp.

Vì vậy, để tạo hình bề mặt phức tạp đạt độ nhám bề mặt đồng đều đảm bảo pháp tuyến N tại các điểm trên bề mặt chi tiết phải vuông góc với véctơ tốc độ chuyển động tương đối giữa chi tiết và dụng cụ V . Trong quá trình gia công chọn kích thước dụng cụ tối ưu kết hợp với chọn góc nghiêng tối ưu giữa trục dao và pháp tuyến

50 bề mặt chi tiết gia công tại các điểm tham gia cắt của lưỡi dao để thỏa mãn điều kiện luôn xảy ra cắt gọt (tức tránh phần đỉnh dao tham gia vào quá trình gia công) là một giải pháp nâng cao chất lượng bề mặt.

Xác định bán kính cong tại mọi điểm trên bề mặt chi tiết theo công thức (M) :

(3.14)

Bán kính R xác định theo công thức Euler (E) :

R1 và R2 được tính như nghiệm của phương trình bậc hai:

(rt - s2).R2 + h[2p.q.s - (1+p2) - ( 1+q2).r].R + h4 = 0 (3.16) Trong đó:

Bán kính cong của lưỡi cắt tại các điểm cắt P là:

R0 là bán kính phần cầu của dao, R(z) bán kính thực tham gia cắt.

Để khắc phục hiện tượng cắt lẹm của dao vào bề mặt chi tiết thì tại các vị trí gia công thì bán kính cong của dao và chi tiết liên hệ theo biểu thức (3.18):

* Kết luận

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kĩ thuật của quá trình phay tinh đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công với một số kết quả:

Các thông số kĩ thuật trong quá trình phay tinh như: điều kiện cắt, thoát dao, lực tì và góc nghiêng giữa dao và phôi có ảnh hưởng nhiều đến các thành phần lực cắt trên các trục tọa độ và cũng ảnh hưởng chất lượng bề mặt chi tiết. Đặc biệt, ảnh hưởng quan trọng của góc nghiêng giữa dao và phôi khi gia công đến chất lượng bề mặt chi tiết.

Các khảo sát về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công dẫn đến các lựa chọn tối ưu:

- Giải pháp tối ưu để khắc phục một số nhược điểm của chi tiết gia công bằng dao phay đầu cầu. Với một bề mặt chi tiết (mô hình hóa hình học bề mặt chi tiết gia

51 công và qui luật biến thiên của véc tơ pháp tuyến của bề mặt chi tiết, các điểm đặc biệt trên bề mặt chi tiết để làm cơ sở lựa chọn thông số kĩ thuật của quá trình gia công hợp lý) xác định được góc gá đặt và bán kính đầu cầu tối ưu theo công thức (3.13) và (3.17).

- Các thực nghiệm gia công bề mặt chi tiết, sử dụng dao phay đầu cầu trên máy công cụ CNC nhằm kiểm nghiệm kết quả của nghiên cứu sẽ được trình bày ở chương tiếp theo.

52

CHƢƠNG 4: THỰC NGHIÊ M PHAY TINH BỀ M T THEO C C KẾT QUẢ NGHIÊN C U

Để đánh giá và so sánh chất lượng bề mặt của các chi tiết trong khi phay tinh các bề mặt có hình dáng hình học phức tạp và chọn được thông số kĩ thuật tối ưu (như góc nghiêng tối ưu, kích thước dụng cụ tối ưu). Tiến hành thực nghiệm phay tinh bề mặt cong bằng dao phay đầu cầu.

Các điều kiện cần thiết để thực hiện quá trình gia công:

4.1 Điều kiện thực nghiệm

Để gia công chi tiết có hình dáng hình học phức tạp cần lựa chọn phương pháp gia công phù hợp với kiểu máy công cụ CNC. Trong quá trình gia công các yếu tố kĩ thuật cần thiết: thông số hình học, vật liệu, loại dụng cụ cắt; mô tả các thông số hình học, vật liệu, chế độ nhiệt luyện, gia công thô của chi tiết gia công, tính toán chọn lựa chế độ cắt … để đạt chất lượng bề mặt tốt nhất từ các điều kiện thực tế yêu cầu.

* Máy công cụ CNC

Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy: Kích thước bàn làm việc, hành trình theo trục X, Y, Z, tốc độ cắt, tốc độ dịch chuyển nhanh theo X,Y, Z ; tốc độ quay của trục chính, số đầu dao...

Các điểm gốc và điểm chuẩn của máy:

Hình 4 1 Các điểm gốc và điểm chuẩn của máy phay CNC

M: là điểm gốc của máy, R là điểm chuẩn của máy, W là điểm zero của phôi. Máy phay CNC có thể đảm nhiệm được các công việc cụ thể:

53 để tạo nên các đường rãnh hay mặt bậc có biên dạng bất kỳ.

- Trên các máy phay CNC 3D cho phép dịch chuyển dụng cụ trong 3 mặt phẳng đồng thời để tạo nên một đường cong hay một mặt cong không gian bất kỳ, tức là điều khiển 3 trục đồng thời của máy theo mối quan hệ ràng buộc nào đó tại từng thời điểm để tạo nên vết quỹ đạo của dụng cụ theo yêu cầu.

- Trên máy 2D ½ cho phép dịch chuyển dụng cụ theo hai trục đồng thời để tạo nên một đường cong phẳng, còn trục thứ 3 được điều khiển chuyển động độc lập. Điều khác biệt so với điều khiển 2D là ở chỗ hai trục được điều khiển đồng thời có thể đổi vị trí cho nhau.

- Máy phay 4D, 5D: trên cơ sở của điều khiển 3D, người ta còn bố trí cho dụng cụ hoặc chi tiết có thêm một chuyển động quay ( hoặc hai chuyển động quay) xung quanh 1 trục nào đó theo mối quan hệ ràng buộc với các chuyển động trên các trục khác của máy 3D. Với khả năng như vậy, các bề mặt phức tạp hay các bề mặt có trục quay có thể thực hiện dễ dàng hơn so với khi gia công trên máy 3D. Mặt khác, vì lý do công nghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện được việc gia công bằng 3D vì có thể tốc độ cắt sẽ khác nhau hoặc có những điểm tốc độ cắt bằng không hay lưỡi cắt của dụng cụ không thể gia công như mong muốn (như góc cắt không thuận lợi hay vướng thân dao vào các phần khác của chi tiết…).

Vì vậy, tùy thuộc vào thông số hình học của chi tiết gia công và yêu cầu bề mặt gia công cụ thể mà có thể lựa chọn máy thích hợp vì máy càng phức tạp thì giá thành máy càng cao và cần bổ sung thêm nhiều công cụ khác như các phần mềm CAD/CAM hỗ trợ lập trình… Hơn thế nữa, máy càng phức tạp ( càng nhiều trục điều khiển) thì tính an toàn trong quá trình vận hành sử dụng máy càng thấp (dễ bị va chạm vào phôi và máy).

* Dụng cụ cắt

Các loại dao phay cầu sử dụng để phay tinh các bề mặt có hình dáng hình học phức tạp do các hãng sản xuất có uy tín, với một số loại phổ biến sau:

a. Dạng 1: Dao có lưỡi cắt trên cả phần trụ và phần cầu.

Đặc điểm của dạng dao này là cả lưỡi cắt trên phần cầu và trụ đều có thể tham gia cắt đồng thời. Nhưng tuỳ theo mục đích sử dụng mà phần thân dao được chế tạo theo một trong hai kiểu sau:

54 như hình 4.2. a, b

Đây là dạng dao có ưu điểm trong gia công mặt cong lồi và hốc sâu vì kết cấu dao không ảnh hưởng đến việc tiến sâu của dao. Nhưng độ cứng vững của dao sẽ kém nếu gá dao quá dài, đặc biệt với những dao có đường kính gia công nhỏ.

Hình 4 2 Hình dạng - kích thước chế tạo của dao phay cầu kiểu 1 ký kiệu BZD25G hãng Missubishi - Nhật Bản [7].

Hình 4 3 Hình dạng - kích thước chế tạo của dao phay cầu kiểu 1 ký kiệu BLG2000SF hãng Sumitomo - Nhật Bản [7].

b. Dạng 2: Dao chỉ có lưỡi cắt trên phần cầu

Nếu như xét đến tính chuyên dùng khi gia công các mặt cong phức tạp, các mặt cong chuyển tiếp…. thì chỉ có phần lưỡi cắt trên phần cầu của dao là tham gia cắt.

Vì thế các hãng sản xuất dao đã chế tạo loại dao cầu chỉ có lưỡi cắt trên mặt cầu. Kết cấu thân dao dạng này cũng gồm hai kiểu như dạng 1 như hình 4.4.

55

Hình 4 4 Hình dạng - kích thước chế tạo của dao chỉ có lưỡi cắt trên phần cầu ký hiệu BNBP 2 R của hãng SUMITOMO - Nhật Bản [7].

c. Dao cầu ghép mảnh

Một trong những dạng hỏng chủ yếu của dao cầu khi gia công là mòn, vỡ lưỡi dao, mẻ dao….. Nếu như gia công theo chế độ cắt hợp lý thì có thể khẳng định rằng đa phần là dao bị hỏng do mòn, mẻ. Vì vậy để nâng cao hiệu quả sử dụng người ta chế tạo dao phay cầu ghép mảnh. Ưu điểm của dao phay cầu ghép mảnh là phần cán dao cố định còn phần lưỡi cắt sẽ được thay thế khi mòn, hỏng,….. Nhưng hạn chế của giải pháp này là khó áp dụng đối với dao có đường kính nhỏ. Hầu hết các mảnh dao cầu đều được làm

56 từ những vật liệu có tính năng cắt tốt, hoặc được phủ để tăng tuổi bền và khả năng cắt gọt.

Thân dao ngoài việc được chế tạo bằng nhũng loại vật liệu có độ bền cao chúng còn được tăng bền như thấm Nitơ, phủ TiN, TiAlN….. để tăng tuổi thọ của cán dao.

Dao ghép mảnh có thể được phân ra:

 Dao ghép một mảnh cắt, dạng dao này thường chỉ có lưỡi cắt trên phần cầu như hình 4.4. a, b.

Hình 4 5 Hình dạng - kích thước chế tạo của thân dao ký hiệu SRFHSMW, SRFHSLW và mảnh ghép ký hiệu SRFT vật liệu VP10MF, VP15TF của dao một mảnh

cắt hãng Mitssubishi - Nhật Bản [7].

 Dao ghép nhiều mảnh cắt, đây là dạng dao mà các mảnh dao có thể được sử