4. Nội dung nghiên cứu
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 dụng nhiều lần do kết cấu của mảnh ghép và thân dao có thể đổi lưỡi cắt khi mảnh dao bị mòn như hình 4.5. c, d, e, f
57
Hình 4 6 Hình dạng - kích thước chế tạo của thân dao ký hiệu TRM4 và mảnh ghép ký hiệu UPE45,UPE50, UPM40, UPM50, UPM50P0, UPM40P1, UPM50P1
vật liệu VP15TF, GP20M, AP20M của dao ghép nhiều mảnh cắt hãng Mitssubishi - Nhật Bản .
Các điểm chuẩn của dao để gia công và lập chương trình điều khiển:
Điểm chuẩn của dao P: là điểm mà từ đó lập chương trình chuyển động trong quá trình gia công. Với dao phay đầu cầu điểm P là tâm mặt cầu.
Hình 4 7 Điểm chuẩn của dao phay đầu cầu
Ngoài ra, khi muốn thực hiện trên các máy này còn quan tâm đến điểm gá đặt dao và điểm thay dao.
58
4.2 NG DỤNG CREO 3.0 TRONG MÔ HÌNH HÓA VÀ T O HÌNH BỀ M T TỰ DO
4.2.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CREO 3.0.
Chúng ta đ~ biết CAD xuất hiện v{o trước năm 1960, với tư c|ch l{ công cụ vẽ (Drafting Tool). Vì vậy, trước đ}y nó được gọi l{ "c}y bút chì điện tử" (Electronic Pencil). Cho đến những năm 80 của thế kỷ trước, vẽ vẫn là chức năng cơ bản của các phần mềm CAD. Các công cụ vẽ không ngừng được cải tiến, được bổ sung thêm các tiện ích, khiến cho công việc vẽ được tiến h{nh nhanh chóng hơn, chính x|c hơn v{ giúp cho việc quản lý, trao đổi tư liệu thiết kế được dễ d{ng hơn. Với chức năng vẽ thì theo tên gọi ban đầu, CAD chỉ là công cụ trợ giúp vẽ trên máy tính (Computer Aided Drafting).
Theo thời gian, CAD được ph|t triển theo 2 hướng:
- Một mặt, CAD được tích hợp nhiều chức năng mới. Với các tính năng đồ hoạ đặc trưng của mình, CAD trở thành môi trường phát triển các công cụ tính toán, phân tích, sản xuất (như tính toán động học, động lực học cơ cấu; tính toán khí động, nhiệt, từ; lập trình cho máy CNC, quản lý công nghệ,...). Nói cách khác, CAD ngày càng được tích hợp thêm các chức năng mới. Nhờ các chức năng này mà CAD đã trở thành công cụ tuyệt vời không chỉ cho các nhà thiết kế mà cả các nhà kinh doanh, quản lý, nghệ thuật, quân sự,... Giới kỹ thuật ngày nay đã quen với các thuật ngữ CAE (Computer Aided Engineering), CAM (Computer Aided Manufacturing). Tuy có chức năng rất khác nhau, các phần mềm CAE và CAM có đặc điểm chung là được phát triển trong môi trường đồ hoạ của CAD hoặc sử dụng trực tiếp dữ liệu đồ hoạ của CAD. Một cách tự nhiên, nhiều hệ CAD, như CATIA (của IBM), Pro/Engineer (của PTC), Cimatron (của Cimatron), đã tích hợp trong mình nhiều chức năng của CAM và CAE. Chúng thực sự đã trở thành các phần mềm CAD/CAM/CAE.
- Mặt khác, một số hãng sản xuất phần mềm CAD khác, như Autodesk (với các phần mềm Mechanical Desktop và Inventor), SolidWorks Corp. (với phần mềm SolidWorks),... tạo ra môi trường mở, cho phép và khuyến khích tất cả các nhà phát triển sử dụng dữ liệu và công cụ điều hành của CAD để tạo ra các phần mềm CAM và CAE khác. Chiến lược hợp tác trên cơ sở chuyên môn hoá đó cho phép tạo ra các sản phẩm
59 phần mềm chất lượng cao, giá thành hạ và giải phóng cho khách hàng khỏi sự lệ thuộc vào một vài hệ nhất định.
Creo là 1 trong những phần mềm đi đầu trong lĩnh vực CAD-CAM, được phát triển bởi hãng Prametric Technology Corp (PTC). Phiên bản cũ trước kia có tên là Pro Engineer. Hiện nay, nó đ~ được đổi tên thành Creo kèm theo sự thay đổi hoàn toàn trong giao diện v{ c|ch thao t|c. Tính đến thời điểm hiện tại, Creo 3.0 là phiên bản mới nhất với nhiều tính năng mạnh mẽ, đem đến cho nhà thiết kế những chức năng và công cụ mạnh mẽ.
Với công cụ thiết kế linh hoạt, mô phỏng ph}n tích động học phong phú, phân khuôn đa dạng, lập trình gia công ổn định và các chức năng trao đổi, nhúng dữ liệu với các phần mềm hỗ trợ như EMX (khuôn nhựa), PDX (khuôn dập), Assembly Smart (thư viện cơ khí),… l{m cho Creo (Pro/E) c{ng mạnh mẽ hơn.
Với Creo (Pro/E), các bạn có khả năng thiết kế mô hình (Modeling), lập các bản vẽ chi tiết, bản vẽ chế tạo, bản vẽ lắp (Drawing), ph}n tích động học (Assembly), thiết kế khuôn nhựa (Mold và EMX), thiết kế khuôn dập tấm (Sheet Metal và PDX, DIE) và lập các chương trình gia công như tiện, phay, khoan, ta rô, khắc, cắt d}y,… Kết hợp với m|y gia công điều khiển số (CNC), Creo (Pro/E) có thể tạo ra một quy trình khép kín từ thiết kế, mô phỏng đến điều khiển sản xuất hoàn thiện sản phẩm.
4.2.2 CHỨC NĂNG MÔ HÌNH HÓA BỀ MẶT TRONG CREO 3.0.
Bề mặt là một mô hình hình học không có độ d{y x|c định. Trong Creo các công cụ tạo bề mặt dùng để tạo các chi tiết có đường cong và bề mặt phức tạp.
4.2.2.1 Các lựa chọn khi tạo mô hình bề mặt.
- Extrude: Kéo một phác thảo thành mô hình bề mặt. Tuỳ chọn này được thực hiện giống như tuỳ chọn của Extrude trong Protrusion và Cut. Tuy nhiên nó có thêm tuỳ chọn phụ để đóng kín (Capped Ends) các phần cuối của hình kéo hoặc để cho phần cuối này được mở (Open Ends).
60
Hình 4 8 Mô hình kéo.
- Revolve: Tạo mô hình bềmặt tròn xoay bằng cách quay một phác thảo quanh một trục thành mô hình mặt. Trục quay là đường xuyên tâm đã được vẽ trước. Cũng giống như tuỳ chọn Extrude tuỳ chọn này cũng có lựa chọn phụ để đóng kín hay mở các phần cuối của bề mặt.
Hình 4 9 Mô hình quay.
- Sweep: Kéo một phác thảo theo một đường dẫn có sẵn. Cũng giống như hai tuỳ chọn trên tuỳ chọn này cũng có một lựa chọn phụ để đóng hoặc mở phần cuối của mô hình mặt.
Hình 4 10 Mô hình kéo theo đường dẫn.
61 - Offset: Tạo một bề mặt mới bằng cách tịnh tiến từ một Solid hoặc một Quilt. Ta cần chỉ định khoảng offset với bề mặt cần offset.
- Copy: Tạo bề mặt bên trên đỉnh của một hoặc nhiều bề mặt được chọn. Tuỳ chọn này cho phép tạo ra các bề mặt từ các Solid có sẵn.
- Fillet: Vê tròn góc của bề mặt.
4.2.2.2 Các thao tác trên bề mặt.
- Merge: Nối 2 hay nhiều bề mặt với nhau. Tuỳ chọn này có thể dùng để kết hợp hai bề mặt nằm kề nhau hoặc có thể đuợc dùng để nối hai bề mặt cắt nhau.
- Extend: Mở rộng một cạnh của bề mặt được chọn.
- Trim: Dùng mặt cắt mặt.. Các tuỳ chọn Trim bao gồm Extrude, Revolve, Sweep, Blend.
- Transform: Dùng để dịch chuyển thẳng, xoay tròn, đối xứng bề mặt được chọn.
- Draft: Vát mặt.
- Area Offset: Tạo bề mặt mới bằng cách tịnh tiến một bề mặt có sẵn.
4.2.2.3 Các tùy chọn bề mặt cao cấp.
- Variable section weep: Quét một phác thảo theo nhiều đường dẫn (Path) khác nhau.
- Swept Blend: Tạo mặt tổ hợp của một Sweep và một Blend. Mặt này được tạo ra bằng cách quét một hay nhiều chi tiết dọc theo một quỹ đạo được xác định trước. Quỹ đạo này có thể chọn trên màn hình làm việc hoặc phác thảo.
- Helical sweep: Quét một phác thảo quanh một trục theo một đường dẫn cho trước. Các đối tượng như dây và lò xo.
- Boundares: Tạo mặt từ các đường biên. Bề mặt của chi tiết có thể được xác định bằng cách chọn các thực thể tham chiếu theo một hoặc hai hướng.
62 4.3 CHỨC NĂNG LẬP TRÌNH GIA CÔNG PHAY TRONG CREO 3.0.
4.3.1 Các khái niệm.
- Quá trình gia công (Machining Process): Là quá trình trực tiếp biến đổi phôi (Workpiece) thành chi tiết máy (Part). Trong tài liệu này quá trình gia công là quá trình cắt gọt.
- Nguyên công (Operation): Là một phần cơ bản của quá trình gia công. Nguyên công được thực hiện trên một máy (Work center) và một phôi.
- Bước (NC sequence): Một phần của nguyên công, thực hiện cắt gọt trên một bề mặt hay một tổ hợp các bề mặt với một dao và một chế độ cắt nhất định.
- Đường chuyển dao (Tool Path): Là đường hình học mô tả quỹ đạo của dao trên mô hình gia công. Nhờ đường chuyển dao, có thể kiểm tra bằng hình học quá trình cắt. Đó cũng là cơ sở hình thành CL Data File.
- Mô hình thiết kế (Design model): Là chi tiết thiết kế, sản phẩm nhận được sau gia công. Các Feature, mặt cạnh của mô hình thiết kế được chọn để sinh ra đường chạy dao. Giữa Design model và phôi có một liên kết. Các thay đổi từ chi tiết có thể cặp nhật vào nguyên công. File Part, Assembly hay Sheermetal Part đều có thể làm Design model để phục vu chọ gia công.
- Mô hình gia công (Manufacturing Model): Mô hình gia công gồm chi tiết (còn được gọi là ―Reference Part‖) và một phôi lắp ghép với nhau. Mô hình gia công cho phép thể hiện lượng dư gia công và mô phỏng gia công. Thường thì sau khi gia công phôi sẽ trùng khít với chi tiết.
4.3.2 Các bước lập trình gia công trong Creo 3.0.
1 - Lắp chi tiết gia công v{o môi trường manufacturing 2 - Thiết lập phôi
3 - Chọn máy gia công
4 - Thiết lập các thông số máy 5 - Giới hạn vùng gia công 6 - Chọn phương ph|p gia công 7 - Thiết lập các thông số công nghệ
63 8 - Mô phỏng đường chạy dao
9 - Kiểm tra quá trình gia công 10 - Xuất chương trình NC
Hình 4 11 Thanh công cụ lập trình gia công chính trong Creo.
4.3.3 Các lựa chọn phương pháp gia công và thông số công nghệ.
Hình 4.11 Thanh công cụ lập trình gia công phay.
Phay thô (Roughting): Kiểu gia công này sẽ lấy đi phần lớn vật liệu trên chi tiết. Kiểu gia công này có các lựa chọn:
- Roughting: Phay phá thuần túy.
- Volume Rough: Phay thể tích với nhiều lựa chọn kiểu chạy dao hơn như:
Rough_Only, Rought_&_Prof, Prof_&_Rought, Prof_Only, Rought_&_Clean_Up,