Bản chất của quá trình gia công bề mặt nói chung và gia công mặt tự do nói riêng là sử dụng dụng cụ cắt để bóc đi một lớp vật liệu trên phôi để tạo ra chi tiết mong muốn. Trong quá trình gia công tinh các bề mặt, dụng cụ cắt đã chứng tỏ được sự hiệu quả đó là dao phay ngón đầu chỏm cầu. Tuy nhiên, mô hình tổng quát ban đầu của các dạng dao phay này không phải là những dạng đơn giản như mặt phẳng (Flat End Mill) hay dạng mặt cầu (Ball end Mill) mà có dạng phức tạp. Các hệ thống APT và CAD/CAM định nghĩa hình bao ngoài của dụng cụ cắt bằng bảy thông số hình học sau: D, R, Rr, Rz, , , h (Hình 1.13).
19
Mô hình tham số tổng quát này có thể chi tiết hóa ra nhiều dạng dao phay ngón mặt đầu và dạng xoắn vít thường dùng trong công nghiệp (Hình 1.13). Bảy thông số hình học này hoàn toàn độc lập với nhau nhưng có những ràng buộc về hình học để tạo ra những mô hình toán phù hợp. Một lưỡi cắt dạng xoắn vít bao lấy xung quanh phần bao ngoài của dao. Cơ chế cắt gọt yêu cầu cần có sự xác định rõ ràng về toạ độ, hình học lưỡi cắt cục bộ, tải trọng riêng cắt phoi và ba thành phần lực cắt vi phân (dFa, dFr, dFt) tại điểm cắt trên lưỡi cắt. Một điểm P có cao độ Z, bán kính cực r(z) trong mặt phẳng toạ độ XY, góc nhúng dọc trục K(z) và góc trễ hướng tâm (z). Góc nhúng dọc trục là góc giữa trục dao và pháp tuyến của lưỡi cắt xoắn ốc ở điểm P đó.
Góc trễ hướng tâm là góc giữa đường nối điểm P tới mũi dao trong mặt phẳng XY và tiếp tuyến với lưỡi cắt ở đầu mũi dao. Các tọa độ điểm P được xác định bởi vector r(z) trong hệ tọa độ trụ.
Hình bao của dao phay ngón được chia làm ba vùng OM, MN và NS (Hình 1. 12). Bán kính dao tại ba vùng này được tính toán theo (1.1 ) [17].
20 ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ ( ) = ( ) = − ( − ) − ( ) = + , = 2(1 − . ) (1.3)
Trong thực tế gia công bề mặt của dụng cụ đã được tiêu chuẩn hóa thành các dạng đường thẳng và cung tròn để có thể dễ chế tạo cũng như tiêu chuẩn hóa. Năm dạng dụng cụ thường sử dụng khi phay tinh có hình dáng hình học được mô tả trên Hình 1.13.
Hình 1.13 Các dao phay ngón cơ bản
a. Dao phay ngón đầu phẳng; b. Dao đầu phẳng có góc lượn; c. Dao phay ngón đầu cầu; d. Dao phay ngón đầu cầu, ¾ cầu; e. Dao phay ngón đầu côn cầu.
1.3.1.1. Dao phay ngón đầu phẳng:
Dao phay ngón đầu phẳng (Hình 1.13a) có khả năng lấy đi lượng dư kém dao phay đầu cầu khi gia công những bề mặt có độ cong, nhưng chế độ cắt tốt, vận tốc cắt tại phần lưỡi cắt tham gia cắt gọt không đổi do đó chất lượng bề mặt gia công cao. Do những đặc điểm trên nên dao phay đầu phẳng được dùng cho nguyên công gia công thô cắt theo lớp, gia công bán tinh và gia công tinh những bề mặt phẳng.
1.3.1.2. Dao phay ngón đầu cầu:
Dao phay ngón đầu cầu (Hình 1.13c, d, e) có khả năng lấy đi lượng dư lớn nhất khi gia công các bề mặt cong, về lý thuyết nếu bán kính cong của mọi điểm trên bề mặt mà lớn hơn bán kính cong của đầu dao thì sẽ lấy đi được hết lượng dư. Khi gia công mặt phẳng thì dao phay đầu cầu để lại phần lượng dư giữa các đường chạy dao.Về mặt gia công thì dao đầu cầu có đặc điểm là vận tốc cắt biến thiên từ vận tốc cắt cực đại về giá trị không tại tâm dao, do đó tại
21
vùng lân cận tâm dao vật liệu phôi không phải bị cắt gọt mà bị phá hủy do biến dạng, chính vì vậy chất lượng bề mặt không cao. Do những đặc điểm trên, dao phay đầu cầu chỉ được dùng trong bước gia công tinh bề mặt.
1.3.1.3. Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn:
Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn (Hình 1.13b) có khả năng lấy đi lượng dư lớn nhất khi gia công các bề mặt cong, về lý thuyết nếu bán kính cong của mọi điểm trên bề mặt mà lớn hơn bán kính cong của đầu dao thì sẽ lấy đi được hết lượng dư. Khi gia công mặt phẳng thì dao phay đầu cầu để lại phần lượng dư giữa các đường chạy dao. Về mặt gia công thì dao đầu phẳng có góc lượn sở hữu được cả ưu điểm của dao phay đầu phẳng và dao phay đầu chỏm cầu. Đó là vừa có thể sử dụng để gia công thô các bề mặt tương tự như đối với dao phay đầu phẳng vừa có thể gia công mặt cong bằng phần góc lượn (nghiêng dao) như đối với dao phay đầu chỏm cầu.
1.3.1.4. Dao phay ngón thân côn:
Dao phay ngón thân côn (Hình 1.13c) khi gia công những bề mặt lên, xuống dốc, có hốc sâu thì các dao thân côn rất phù hợp, về mặt tạo hình và chế độc cắt chúng mang các đặc điểm như các loại dao cơ bản trên nhưng về mặt sức bền thân dao thì tốt hơn vì khi gia công sâu yêu cầu thân dao phải dài. Giai đoạn gia công thô, do không yêu cầu gì về độ chính xác bề mặt nên lượng kim loại cần loại bỏ thường lớn. Trong trường hợp này dụng cụ cắt thường được chọn là dao phay ngón đầu phẳng, dao phay ngón đầu vê tròn [18], [19] hoặc đôi khi chi tiết lớn có thể sử dụng dao gắn chip v.v… Điều này vừa để nâng cao độ cứng vững của dụng cụ nhằm hớt bỏ được lượng dư nhiều hơn sau mỗi lượt ăn dao, do vậy có khả năng rút ngắn được thời gian gia công và nâng cao năng suất chế tạo sản phẩm (Hình 1.14a).
Hình 1.14 Gia công mặt cong lõm
22
Giai đoạn gia công tinh yêu cầu về chất lượng bề mặt cao nên lượng kim loại hớt bỏ sau mỗi lượt gia công thấp, bước dịch dao ngang (step over) nhỏ… mục đích để tạo ra bề mặt có chất lượng tốt (scallop height nhỏ). Trong quá trình gia công tinh bề mặt dụng cụ cắt thường được lựa chọn là các dao phay ngón đầu chỏm cầu bởi vì độ chính xác tạo hình mà dao phay đầu chỏm cầu mang lại (Hình 1.14b).
Sau khi chi tiết được gia công tinh bởi dao phay đầu cầu, trên bề mặt của chi tiết còn tồn tại các phần kim loại để lại (scallop height). Để loại bỏ những phần này thì cần phải trải qua quá trình gia công nguội (đánh bóng). Do đó thời gian gia công thô thường ngắn, thời gian gia công tinh và thời gian nguội thường chiếm phần lớn quá trình gia công khuôn. Do đó muốn nâng cao năng suất quá trình gia công bề mặt các chi tiết khuôn thường quan tâm đến bước 2 đó là bước gia công tinh bề mặt. Điều này cho thấy rằng việc gia công tinh và đánh bóng các bề mặt tự do chiếm phần lớn tổng thời gian hình thành lên một bộ khuôn thành phẩm. Vì vậy, việc nghiên cứu gia công tinh mặt tự do là một nghiên cứu có tính khoa học và ứng dụng cao. Hiện nay quá trình gia công các chi tiết có chứa mặt tự do thường được sử dụng trên các máy CNC 3 trục, 4 trục hoặc 5 trục và đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này.
Khi gia công các chi tiết có chứa bề mặt tự do, hầu hết các nghiên cứu tập trung vào giải quyết ba dạng bề mặt chính đó là vùng lồi, vùng lõm và vùng phẳng (Hình 1.15). Vì trong quá trình gia công vùng lồi, vùng lõm nếu không có những lưu ý trong việc chọn dụng cụ hoặc đường dụng cụ có thể khiến bề mặt không chính xác, hoặc dẫn đến quá trình gia công mất nhiều thời gian. Trên Hình 1.16b dụng cụ cắt bị giới hạn bán kính để có thể ăn hết lượng dư vùng bề mặt lõm, trên Hình 1.15c bán kính dụng cụ không bị giới hạn khi gia công vùng phẳng, do đó có thể lựa chọn dụng cụ có kích thước lớn để giảm thời gian gia công, trên Hình 1.15d bán kính dụng cụ cũng không bị giới hạn, nhưng do độ dốc của mặt cong thì việc lựa chọn thông số đường dụng cụ để đảm bảo độ chính xác tạo hình là quan trọng.
23
Hình 1.15 Sự khác biệt giữa vùng lồi, vùng lỏm và vùng phẳng khi gia công
Khi gia công bề mặt tự do dạng lõm khả năng cắt lẹm do dụng cụ ăn quá vào bề mặt chi tiết gia công rất dễ xảy ra (cụ thể hơn xem Hình 1.16), trong các hệ thống CAM có tính đến chuyện này và để tránh xảy ra cắt lẹm thì sẽ còn lại một phần bề mặt không được gia công (sẽ phải sửa lại ở giai đoạn nguội để loại bỏ chúng). Có thể thấy rằng đây cũng mở ra một trong những hướng nghiên cứu rất khả quan cho việc tối ưu hóa gia công mặt tự do. Trên Hình 1.16 dễ dàng nhận thấy rằng nếu lựa chọn dụng cụ cắt có đường kính nhỏ (thể hiện trên Hình 1.16a) là đường tròn đại diện có bán kính nhỏ), quá trình gia công không xảy ra hiện tượng cắt lẹm, nhưng thời gian gia công sẽ kéo dài. Tuy nhiên nếu chọn dụng cụ có đường kính lớn để quá trình gia công nhanh hơn thì rất dễ xảy ra khả năng cắt lẹm một vùng nào đó của bề mặt tự do (xem Hình 1.16b).
Hình 1.16 Sự Đường cắt và cắt lẹm
a) Dao đường kính nhỏ không gây cắt lẹm; b) Dao đường kính lớn gây cắt lẹm
Khi lựa chọn được dụng cụ phù hợp với bề mặt có độ cong tương ứng thì tại những vùng có độ cong lớn (bán kính cong nhỏ) sử dụng đường kính
24
nhỏ phù hợp, tại vùng có độ cong nhỏ sử dụng đường dụng cụ có đường kính lớn mà vẫn đảm bảo đường chiều cao nhấp nhô để lại (Scallop height) hoặc phần kim loại để lại (cusp) (chương 1). Thời gian gia công giảm bởi vì khi sử dụng dụng cụ cắt có đường kính lớn thì chiều dài đường dụng cụ sẽ giảm đi vì bước tiến ngang (Hình 1. 17).
Hình 1.17 Lựa chọn dụng cụ tương ứng với độ cong bề mặt
Đối với việc gia công mặt tự do trên máy 5 trục phần nào có thể khắc phục được hiện tượng cắt lẹm bằng biện pháp giảm bán kính thực của dụng cụ thay bằng bán kính hiệu dụng bằng cách nghiêng dụng cụ cắt khi rơi vào vùng lõm có bán kính cong nhỏ hơn bán kính đầu chỏm cầu của dao. Do đó, có thể lựa chọn dụng cụ đầu phẳng hoặc đầu phẳng có bán kính vê tròn để gia công vì khi nghiêng đi thì bán kính hiệu dụng cắt lúc này có thể nhỏ hơn bán kính thực của dụng cụ, do đó không gây ra cắt lẹm hoặc để lại phần thừa quá nhiều trên mặt tự do.
Đối với gia công trên máy phay CNC 3 trục điều này là không thể thực hiện được. Do vậy, dụng cụ thường được lựa chọn khi gia công tạo hình mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục khi gia công thô là dao phay đầu phẳng, khi gia công tinh là dao phay ngón đầu chỏm cầu.