1.3.3.1. Khái niệm:
Đường dụng cụ là quỹ đạo mà một điểm trên dụng cụ được dẫn theo nó trong quá trình gia công. Nếu nguyên công đang thực hiện là gia công thô thì đường chạy dao sẽ dẫn dụng cụ lấy đi lượng dư gia công còn nếu là nguyên công gia công tinh thì đường chạy dao sẽ dẫn dụng cụ thực hiện quá trình bao hình tạo thành bề mặt chi tiết.
Hình 1.30 Đường dụng cụ
Tùy theo phương thức gia công là 2D, 3D hay 5D sẽ có đường dụng cụ tương ứng là 2D, 3D hay 5D.
Đường dụng cụ trong gia công đường cong 2D có được bằng cách dịch (offset) đường cong cần gia công một lượng bằng bán kính dụng cụ.
Nếu gia công đảo hoặc hốc theo phương pháp cắt theo lớp thì đường dụng cụ là các đường 2D, hình dáng của chúng có thể là song song, xoắn hay theo tia.
36
Hình 1.31 Đường dụng cụ gia công Contour 2D
Trong gia công 3D thì đường dụng cụ phức tạp hơn rất nhiều, chúng không những phụ thuộc vào hình dáng bề mặt gia công mà còn phụ thuộc vào hình dáng hình học của dụng cụ.
Hình 1.32 Đường dụng cụ gia công 3D
Với cùng một dụng cụ cắt, cùng một chế độ cắt nhưng chất lượng bề mặt chi tiết đạt được sau khi gia công phụ thuộc nhiều vào phương án đường dụng cụ. Như vậy với mỗi bề mặt chi tiết cụ thể ta cần có một phương án đường chạy dao để chất lượng bề mặt tạo thành tốt nhất.
1.3.3.2. Các kiểu đường dụng cụ cơ bản:
Đường dụng cụ hiện nay được áp dụng trong các hệ thống CAD/CAM thương mại là kết quả của các công trình nghiên cứu nghiêm túc của các nhà khoa học. Có thể mỗi một hệ thống CAD/CAM sử dụng các tên gọi khác nhau cho các kiểu đường dụng cụ tương tự nhau, nhưng phương pháp sinh đường dụng cụ là tương tự nhau. Các đường dụng cụ ngày nay vẫn đang
37
được “tiến hóa” thêm để ngày càng hoàn thiện. Thống kê một số đường dụng cụ cơ bản trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các kiểu đường dụng cụ
STT Kiểu đường dụng cụ Chức năng
1 Face Sử dụng để gia công thô hoặc tinh một phần
mặt của chi tiết
2 Contour Gia công kiểu lặp, vùng trũng (pocket) hở, font
chữ…
3 Chamfer Gia công vát các cạnh
4 Fillet Gia công bo tròn góc
5 Pocket Gia công thô, tinh các bềmặt dạng trũng
6 Slot Mill Gia công các khe, rãnh
7 Drill Gia công khoan
8 Bore Tạo lỗ, thường lỗ lớn (lớn hơn 0,75 inches)
9 Thread Mill Gia công các lỗ ren đường kính lớn (lớn hơn
0,75inches)
Trong quá trình gia công, một số thuật ngữ về đường dụng cụ biểu diễn trên Hình 1.30 được thống kê theo Bảng 1.2.
Bảng 1.2 Thuật ngữ cơ bản của đường dụng cụ trong gia công CNC
STT Thuật ngữ Giải nghĩa
1 X, Y, and Z allowance Lượng vật liệu còn lại trên bề mặt XY cần được
loại bỏ trong bước gia công kế tiếp. nó có thể gọi là “Stock to Leave” nữa
2 Stepover Bước tiến ngang là khoảng cách giữa hai
đường dụng cụ cạnh nhau
3 Stepdown Là lượng vật liệu được loại bỏ theo chiều dọc
hoặc hướng trục với mỗi lượt dịch dao ngang
4 Top of Stock Chỉ định mặt trên cao nhất của phôi, được sử
dụng làm tham chiếu cho các quy trình gia công
38
5 Feed Height Là chiều cao dụng cụ định vị trước khi bắt đầu
gia công, thường đặt ở khoảng cách an toàn
6 Retract Height Là chiều cao của dụng cụ được nâng lên giữa
các lần chuyển đường dụng cụ tương tự. Thường trong các hệ thống CAD/CAM sẽ sử dụng mặt an toàn (safe plane) để xác định chiều cao này
7 Clearance Height Là chiều cao của dụng cụ di chuyển ở giữa các
bước gia công, thường chọn cao hơn mặt trên của phôi một khoảng 1.0 inches
8 Tool path Centerline Là đường dụng cụ nằm đúng tâm của dụng cụ.
Trong trường hợp này cần phải chú ý tới thông số đường kính dụng cụ để tránh gây va chạm với những vùng không cần gia công
9 Feed rate Tốc độ di chuyển bàn máy (lượng tiến dao dọc)
10 Cutting Feed Lượng ăn dao khi gia công (tốc độ cắt)
11 Prof-Stock-Allow Lượng dư để lại bề mặt bên
12 Bottom-Stock-Allow Lượng dư để lại mặt đáy
13 Scan-Type Kiểu quét dao
14 Clear-Dist Khoảng lùi dao
15 Spindle Speed Tốc độ quay trục chính
1.3.3.3. Các kiểu đường dụng cụ thường dùng trong hệ thống CAD/CAM để gia
công bê mặt tự do trên máy CNC:
Kiểu One way next: đường dụng cụ luôn đi theo một hướng, khi kết thúc của một đường dẫn thì dụng cụ sẽ di chuyển chéo tới đầu của một đường dẫn tiếp theo (nhảy bước tiến ngang chéo);
Kiểu One way same: đường dụng cụ luôn đi theo một hướng, nhưng khác với kiểu One way next kiểu này sau khi kết thúc một đường dụng cụ sẽ di chuyển thẳng đứng lên rồi lùi về vị trí ban đầu trước khi dịch dao ngang một khoảng bằng bước tiến ngang tới đường dẫn kết tiếp;
39
- Kiểu Zigzag: đường dụng cụ sẽ được chuyển ở cuối mỗi hành trình đường dụng cụ. Tức là không có hành động nhấc dao ở cuối mỗi hành trình mà dụng cụ dịch dao ngay với khoảng cách bằng độ lớn bước tiến ngang.
- Kiểu Spiral: đường dụng cụ là các đường xoắn ốc theo hướng từ ngoài vào trong hoặc từ trong ra ngoài, khi kết thúc thì dụng cụ nhấc lên mặt tham chiếu;
- Kiểu Contour only: dụng cụ di chuyển theo đường contour của bề mặt cần gia công. Kiểu đường dụng cụ này thường áp dụng khi đánh hết ba via của phần được gia công;
- Kiểu Concentric: dụng cụ được dẫn theo các đường tròn đồng tâm theo hướng đi từ ngoài vào trong hoặc từ trong ra ngoài vùng gia công. Kết thúc mỗi đường dẫn (dụng cụ đi hết một vòng tròn) thì dụng cụ được nhấc lên mặt tham chiếu để dịch sang đường dẫn kế tiếp;
- Kiểu Helical: Gần giống với kiểu Spiral nhưng khác ở chỗ kết thúc một đường dẫn thì hành động nhấc dao giống như đối với kiểu Concentric;
- Kiểu By offset on part with one way: dụng cụ được dẫn theo các đường trong đó đường dụng cụ kế tiếp được offset so với đường dẫn liền trước một khoảng cách nhất định, khi chuyển đường dụng cụ sẽ được nhấc lên và lùi chéo về vị trí đầu đường dẫn kế tiếp;
- Kiểu By offset on part with Zigzag: dụng cụ được dẫn giống như kiểu By offset on part with one way, chỉ khác ở chỗ khi kết thúc một đường dẫn để chuyển sang đường kế tiếp dụng cụ không được nhấc lên mà chuyển sang đường dẫn kế tiếp ngay ở cuối đường dẫn hiện tại;
- Kiểu Helical: Gần giống với kiểu Spiral nhưng khác ở chỗ kết thúc một đường dẫn thì hành động nhấc dao giống như đối với kiểu Concentric;
- Kiểu By offset on part with one way: dụng cụ được dẫn theo các đường trong đó đường dụng cụ kế tiếp được offset so với đường dẫn liền trước một khoảng cách nhất định, khi chuyển đường dụng cụ sẽ được nhấc lên và lùi chéo về vị trí đầu đường dẫn kế tiếp;
40
- Kiểu By offset on part with Zigzag: dụng cụ được dẫn giống như kiểu By offset on part with one way, chỉ khác ở chỗ khi kết thúc một đường dẫn để chuyển sang đường kế tiếp dụng cụ không được nhấc lên mà chuyển sang đường dẫn kế tiếp ngay ở cuối đường dẫn hiện tại;
Các kiểu đường dụng cụ trên thường được sử dụng trong bước gia công tinh các mặt cong dạng tự do.
- Kiểu Sweep zigzag: là kiểu đường dẫn quét trên bề mặt chi tiết, cuối mỗi đường dụng cụ không nhấc lên mà dịch chuyển một lượng bằng bước tiến ngang sang đường dụng cụ kế tiếp. Dạng tổng quát của đường này là Back and forth;
- Kiểu Sweep one way next: Là kiểu đường dẫn giống như trường hợp Sweep zigzag, nhưng khác là ở cuối mỗi đường dụng cụ được nhấc lên mặt tham chiếu sau đó lùi chéo về điểm đầu đường dẫn kế tiếp (khoảng cách nhảy chéo bằng bước dịch dao ngang);
- Kiểu Sweep one way same: Là kiểu đường dẫn giống Sweep zigzag nhưng khi nhảy bước tiến ngang sang đường dẫn kế tiếp cụ sẽ lùi về vị trí đầu của đường dẫn hiện tại rồi dịch sang đường dẫn kế tiếp một khoảng bằng bước tiến ngang;
Các kiểu đường dẫn từ trênthường được sử dụng khi gia công tinh các mặt cong dạng tự do. Tuy nhiên, đôi khi chúng cũng được sử dụng trong gia công tinh hoặc có thể áp dụng cho cả gia công thô trong một số trường hợp.; - Kiểu Spiral face: Dụng cụ được dẫn giống như kiểu Spiral nhưng thường sử dụng đối với các mảnh mặt phẳng. Đối với kiểu này sẽ có thêm các tùy chọn nhỏ hơn là “helical” và “back and forth”;
- Kiểu Open Pocketing: Dụng cụ được dẫn trong các bề mặt hoặc chi tiết có hốc hoặc lõm. Đối với kiểu này sẽ có thêm các tùy chọn nhỏ hơn là “outward helical”, “inward helical”, “back and forth”, “offset on part one way”, “offset on part one same”.;
41
- Kiểu Prôphine contouring: Dụng cụ được dẫn theo đường contour của đối tượng cần gia công. Đối với kiểu này có thêm các tùy chọn dẫn dụng cụ là “zigzag”, “one way” và “helix;
- Kiểu Hole Probing: Dụng cụ được dẫn từ một điểm tham chiếu (thường là trên mặt tham chiếu) đi xuống thực hiện quá trình gia công rồi lùi về đúng vị trí xuống lúc đầu và quay trở lại vị trí ban đầu trên điểm tham chiếu. Kiểu tổng quát của đường dẫn này có tên là Probing, trong kiểu này còn có thêm các kiểu đường dẫn nữa là Slot or Ribs Probing, Corner Probing, Multi points Probing;
- Kiểu Pencil: Dụng cụ được dẫn men theo các cạnh giao giữa các mặt. Thường sử dụng để vét phần bề mặt không được gia công do giới hạn bán kính dụng cụ;
- Kiểu Z-level: Dụng cụ được dẫn tới vùng gia công theo trục z. Kiểu này thường được sử dụng để gia công các vùng bề mặt nhỏ hoặc gia công cục bộ hoặc sửa những vùng nhỏ trên bề mặt. Kiểu Z level cũng có các tùy chọn về chất lượng như gia công thô, gia công tinh;
- Kiểu advance finishing: Thường sử dụng gia công vùng rãnh hẹp, gia công cả mặt và mặt bên. Kiểu gia công này cũng được sử dụng cho gia công thô, tinh;
- Kiểu Contour driven: Dụng cụ được dẫn bám theo contour các vùng gia công. Có các tùy chọn dẫn dụng cụ nhỏ trong kiểu này là “zigzag”, “one way next” và “one way same”;
Trong khoảng hơn hai mươi kiểu đường dụng cụ đã giới thiệu, kiểu đường dụng cụ thường sử dụng để gia công tinh các bề mặt tự do là kiểu “back and forth”, “One way next” và kiểu “On way same” [20]. Trong nội dung chương 4 của luận án sẽ xây dựng thực nghiệm Taguchi để đánh giá ảnh hưởng của ba kiểu đường dụng cụ này tới chất lượng tạo hình bề mặt tự do cấu trúc dạng elip. Qua đó đề xuất hướng lựa chọn đường dụng cụ hợp lý khi gia công mặt tự do.
42
Tham khảo các nghiên cứu về đường tự do, mặt tự do và đặc biệt là các phương pháp gia công mặt tự do thường được thực hiện theo hai hướng nghiên cứu sau:
Hướng nghiên cứu thứ nhất: Hướng nghiên cứu này thường tập trung vào việc tối ưu hóa thông số đường dụng cụ và các thông số quá trình cắt (v, s, t) khi gia công các mặt tự do. Hầu hết các nghiên cứu này đều dựa trên một số phương pháp sinh đường dụng cụ theo một số phương án như: Phương pháp Iso parametric, phương pháp Iso Scallop height, phương pháp Isophotes. Đường xoắn ốc 1 Đường xoắn ốc 232 Ưu điểm: Thường khi thực hiện phương pháp tối ưu đường dụng cụ khi gia công mặt tự do có đường hướng thực hiện rõ rang trên cơ sở các đường dụng cụ có sẵn. Nhược điểm: Chưa quan tâm đến kích thước dụng cụ, điều này khiến cho việc tối ưu hóa gia công chưa hoàn hảo.
Hướng nghiên cứu thứ hai: Hướng nghiên cứu thứ hai thường tập trung vào việc lựa chọn đường dụng cụ phù hợp với từng vùng (lồi, lõm), kết hợp nghiên cứu dụng cụ và kích thước dụng cụ. Điều này làm cho quá trình gia công một mặt tự do không bị giới hạn bởi 1 đường dụng cụ như hướng thứ nhất. Qua đó quá trình gia công sẽ linh hoạt hơn. Mặt khác hướng nghiên cứu này có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác tạo hình thông qua yếu tố hình học như các yếu tố: Kiểu đường dụng cụ, dụng cụ và kiểu dụng cụ, bước tiến ngang .v…, vì vậy có thể áp dụng đối với các loại vật liệu có tính chất cơ lý khác nhau mà vẫn sử dụng được các kết quả nghiên cứu khi ta thay đổi các thông số chế độ cắt áp dụng trong nhóm nghiên cứu thứ nhất.
Ưu điểm: Linh hoạt trong lựa chọn đường dụng cụ, hình dáng và kích thước dung cụ, qua đó có thể tối ưu về độ chính xác và chất lượng bề mặt sau khi gia công.
Nhược điểm: Mặc dù lựa chọn đường dụng cụ, hình dáng và kích thước dụng cụ phù hợp với từng tiểu vùng nhưng vẫn chưa quan tâm được đến chế độ cắt nên vẫn sử dụng kết quả của hướng nghiên cứu thứ nhất khi gia công các loại vật liệu có tính chất cơ lý khác nhau.
43
1.3.3.4. Các thông số cơ bản của đường dụng cụ
Chất lượng bề mặt chi tiết gia công phụ thuộc nhiều vào hình dáng hình học của dụng cụ, do đó cần phải chọn hình dáng của dụng cụ phù hợp với bề mặt cần gia công. Bên cạnh đó các thông số của đường dụng cụ cũng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công. Các thông số của đường dụng cụ bao gồm:
a.Hình dáng đường dụng cụ:
Hình dáng đường dụng cụ là thông số mô tả phương pháp quét bề mặt của dụng cụ thể hiện qua hình dáng của đường dụng cụ. Đường dụng cụ trong gia công đường cong 2D có Hình 1.29. Đường dụng cụ gia công Contour 2D Đường dụng cụ, chi tiết dụng cụ 13 được bằng cách dịch (offset) đường cong cần gia công một lượng bằng bán kính dụng cụ. Nếu gia công đảo hoặc hốc theo phương pháp cắt theo lớp thì đường dụng cụ là các đường 2D, hình dáng của chúng có thể là song song (parallel), xoắn ốc (spiral) hay theo tia (radial). Những thông số của đường dụng cụ cần chú ý khi gia công mặt tự do biểu diễn trên Hình 1. 33 dưới đây:
Đường tròn (hoặc mặt cầu) đại diện: Mô tả phần đường kính mặt cầu của dụng cụ cắt, đại diện cho dụng cụ tham gia quá trình gia công.
b.Hướng tiến dao: cắt thuận, nghịch hay hỗn hợp (undir, bidir).
Hướng tiến dao 1 chiều (cắt cả thuận hoặc nghịch)
Hướng tiến dao 2 chiều (cắt cả thuận và nghịch)
44
c. Bước tiến ngang S0 (Step over):
Khoảng cách giữa 2 vị trí đường chạy dao liên tiếp S0 là thông số mô tả các vết quét dày hay thưa ảnh hưởng trực tiếp đến chiều cao nhấp nhô để lại trên bề mặt chi tiết sau khi gia công, đối với kiểu chạy dao tia thì thông số này là góc giữa 2 tia liên tiếp (Hình 1.34). Khi S0 càng nhỏ bề mặt chi tiết hình thành có chiều cao nhấp nhô càng nhỏ hay chất lượng bề mặt chi tiết tốt hơn, nhưng S0 càng nhỏ thì số lần chuyển dao để cắt hết bề mặt chi tiết lớn làm giảm năng suất gia công, do vậy mà tùy theo yêu cầu kỹ thuật của bề mặt chi tiết mà ta chọn S0 phù hợp sao cho đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết cần gia công đồng thời năng suất gia công hợp lý.
Khoảng cách giữa các điểm nút liên tiếp trên đường dụng cụ Sf (hình 1.32) cho biết khoảng cách giữa các điểm định vị dụng cụ được tính toán, nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác tạo hình đạt được trên đường di chuyển của dụng cụ, làm cho bề mặt thực tạo thành chứa dung sai gia công so với bề mặt lý thuyết hoặc có thể bị cắt lẹm hoặc không bị cắt.
Hình 1.34 Khoảng cách giữa các điểm nút
d.Các thông số khác
Chiều cao h (chiều cao lớp kim loại để lại sau hai bước dịch dao liên