1.3.4.1. Gia công thô:
Khi gia công thô hốc, mục đích là lấy đi được nhiều lượng dư của chi tiết, khử các sai số hình dáng hình học của phôi, tạo lượng dư đồng đều cho bước gia công tinh. Vì vậy khi gia công thô người ta thường gia công với bước tiến dao lớn, lượng dư mỗi lần cắt lớn và chọn phương án chạy dao sao cho lượng dư để lại được đồng đều trên bề mặt phôi cho bước gia công tinh, nếu lượng dư không đồng đều thì khi gia công tinh chiều sâu cắt thay đổi, làm cho lực cắt thay đổi gây ra sai số hình dạng trên chi tiết.
a. Đường chạy dao dạng đường gạch mặt cắt (Hatch roughing)
Kiểu chạy dao này cho phép đặt đường chạy dao nghiêng một góc nhất định so với trục X, kiểu đường chạy dao này thích hợp với việc gia công các hốc dạng hình hộp chữ nhật hoặc bề mặt phẳng. Với phương án chạy dao này nếu phương chạy dao song song với cạnh của bề mặt cần gia công thì cho phép lấy đi lượng dư tốt nhất trên chi tiết.
Hình 1.37 Tối ưu hóa quỹ đạo đường chạy dao
Khi gia công với đường chạy dao là đường dạng gạch mặt cắt với các hốc có các biên dạng cong ở giữa, phương pháp này cho phép người dùng lựa chọn tối ưu hóa quỹ đạo chạy dao (Keep cutting direction) (hình 1.37) khi quỹ đạo của đường chạy dao được tối ưu hóa thì khi gặp các biên dạng cong nó sẽ uốn theo biên dạng đó và khả năng lấy đi lượng dư là lớn nhất, giúp cho bước gia công thô để lại lượng dư trên bề mặt đồng đều hơn.
b.Đường chạy dao là đường Contour
Với kiểu chạy dao này đường dao sẽ chạy theo từng đường kín uốn theo biên dạng chi tiết cần gia công từ trong ra ngoài hoặc từ ngoài vào trong để cắt hết lượng dư gia công. Phương pháp chạy dao theo contour nếu phay hốc
47
với cùng một chế độ cắt sẽ cho năng suất cao hơn phương án chạy dao theo kiểu gạch mặt cắt (ví dụ: khi gia công hốc như hình 1.38 thời gian gia công sẽ tiết kiệm được 15 phút). Tuy nhiên với phương án chạy dao này khi gia công chi tiết có bề mặt cong 3D thì lượng dư để lại giữa các lớp cắt rất lớn và không đều nhau như trên hình 1.38, do đó lượng dư để lại cho bước gia công tiếp theo sẽ không đồng đều và dẫn đến sai số gia công do yếu tố hình học của nguyên công sát trước để lại.
Hình 1.38 Chạy dao thao kiểu Contour a) Phôi trước khi gia công
b) Phôi sau khi gia công thô bằng dao phay ngón đầu bằng với kiểu
chạy dao contour
Như vậy để tiết kiệm thời gian gia công khi gia công chi tiết có bề mặt 3D thì ta có thể sử dụng phương án đường chạy dao theo contour và để lại một lượng dư đủ để thực hiện gia công bán tinh và gia công tinh.
c. Chạy dao theo phương án dao ăn theo trục Z hết chiều sâu
Với phương án chạy dao này khi sử dụng dao phay ngón, dao sẽ cắt theo lưỡi cắt mặt đầu, khả năng cắt của dao sẽ kém hơn do đó không thể cắt với tốc độ chạy dao
lớn (hình 1.39). Hình 1.39 Gia công dao ăn theo trục Z
1.3.4.2. Gia công bán tinh và gia công tinh
Gia công bán tinh nhằm mục đích tạo ra bề mặt chi tiết gia công có lượng dư đồng đều cho bước gia công tinh, ở bước gia công bán tinh có thể
48
sử dụng chế độ cắt cao, dung sai đạt được có giá trị nhỏ hơn nhiều so với gia công thô.
Lượng dư còn lại sau bước gia công bán tinh sẽ được hớt hết bởi bước gia công tinh, bước này quyết định rất nhiều đến độ chính xác của bề mặt chi tiết gia công, do vậy với từng bề mặt cụ thể mà ta lựa chọn kiểu đường chạy dao khác nhau để chất lượng bề mặt đạt được tốt nhất.
Việc lựa chọn phương án chạy dao cần tùy thuộc vào dạng chi tiết cần gia công để có lựa chọn phù hợp sao cho chiều cao nhấp nhô sau gia công là nhỏ nhất. Trong mục 1.3 chúng ta đã xét ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến chất lượng tạo hình trong gia công bề mặt không gian 3D với dao phay đầu cầu gia công với bước tiến ngang nhỏ. Với kiểu đường dụng cụ bất kỳ khi gia công mặt tạo hình của dao cầu là mặt cầu nên chiều cao nhấp nhô hình thành sau khi gia công là như nhau. Cho nên chúng ta chỉ xét ảnh hưởng của hình học đường chạy dao trong trường hợp gia công bằng dao phay ngón đầu phẳng.
Giả sử cần gia công một mặt cong C bất kỳ với dao phay ngón đầu phẳng có bán kính R, dao tiếp xúc với bề mặt cong tại điểm M như trên hình 1.40. Do dụng cụ cắt chuyển động quay với vận tốc tương đối lớn (khoảng vài nghìn vòng/phút) cho nên điểm cắt của dao có thể coi là một đường tròn tạo hình, đường tròn đó có tâm trùng với tâm của dao và bán kính bằng với bán kính dao.
Hình 1.40 Sơ đồ tính đường tạo hình Hình 1.41 Sơ đồ tính hình chiếu của đường tròn tạo hình lên măt phẳng Q
49
Giả sử M là điểm tiếp xúc giữa dụng đường tròn tạo hình và bề mặt chi tiết n: véc tơ pháp tuyến của bề mặt cong tại điểm M
V: véc tơ hướng chạy dao tức thời tại điểm M
Khi đó nhìn theo phương của véctơ V đường tròn tạo hình suy biến thành đường elip, hay nói cách khác đường tạo hình nhìn theo phương véc tơ V là hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng qua điểm M và vuông góc với véc tơ V (gọi là mặt phẳng Q).
Đặt tại điểm tiếp xúc M một hệ trục tọa độ OXY như trên hình 1.38 với trục OX là tiếp tuyến của bề mặt chi tiết tại điểm M. Giao tuyến của mặt phẳng P với mặt phẳng OXY là đường thẳng d, góc giữa đường thẳng d và trục OX là góc α. Góc giữa mặt phẳng Q và mặt phẳng OXY là góc θ.
Trên mặt phẳng Q đặt một hệ trục tọa độ X’OY’ sao cho OX’ trùng với đường giao tuyến d. Hình chiếu của tâm đường tròn tạo hình I lên mặt phẳng P là I’1, ta có tọa độ của điểm I’1 trong hệ tọa độ X’OY’ là:
X’1 = R.sinα; Y’1 = -R.cosα.cosθ
Khi chiếu đường tròn tạo hình lên mặt phẳng Q thì theo phương OX’ đường kính đường tròn giữ nguyên chiều dài, lúc này là trục dài của elip (bán trục dài là R), theo phương OY’ bán trục ngắn của elip là R.cosθ. Phương trình đường elip (hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng P) trong hệ tọa độ X’OY’ có tâm I’ là:
Hình 1.42 Hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng vuông góc với
véc tơ tốc độ chạy dao tức thời
Hình 1.43 Hình chiếu của đường tròn tạo hình trên mặt phẳng Q
50
Khi chiếu đường tròn tạo hình lên mặt phẳng Q thì theo phương OX’ đường kính đường tròn giữ nguyên chiều dài, lúc này là trục dài của elip (bán trục dài là R), theo phương OY’ bán trục ngắn của elip là R.cosθ. Phương trình đường elip (hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng P) trong hệ tọa độ X’OY’ có tâm I’ là:
X'-R.sinα 2
R2 +
Y'-R.cosα.cosθ 2
(R.cosθ)2 =1 (1.10)
Khảo sát phương trình đường elip (1.8) ta thấy khi góc α tăng thì góc nghiêng của trục dài đường elip tạo hình so với mặt phẳng tiếp tuyến của bề mặt chi tiết tại điểm tiếp xúc M càng lớn và tâm của elip càng dịch chuyển ra xa điểm tiếp xúc theo trục OX’ hay nói cách khác khi góc α tăng thì điểm tiếp xúc (cũng là điểm gốc tọa độ O) M sẽ dịch chuyển về phía đầu cung nhỏ của elip, và ngược lại khi góc α giảm thì điểm tiếp xúc M sẽ dịch chuyển về phía bán kính cong lớn của đường elip (hình 1.43a ứng với góc α = 900 và hình 1.43b ứng với góc α = 00 ). Khi dụng cụ cắt dịch chuyển theo phương V thì đường elip này sẽ quét trong không gian tạo thành khối quét, khối quét này tiếp xúc với bề mặt cần gia công theo đường dịch chuyển của dụng cụ (điểm M dịch chuyển theo V) và phần giao giữa khối này và phôi là phần lượng dư sẽ được lấy đi khi gia công.
Nhìn trên hình 1.44 ta thấy ở trường hợp b lượng dư được lấy đi nhiều hơn và bề mặt tạo thành gần đúng với bề mặt chi tiết hơn, do đó chất lượng bề mặt sau gia công sẽ tốt hơn. Như vậy nếu chỉ xét tới yếu tố ảnh hưởng là α, khi α càng nhỏ thì lượng vật liệu trên bề mặt cần gia công được cắt bỏ đi càng lớn và chiều cao nhấp nhô hs để lại càng nhỏ và ở vị trí góc α = 00 (khi véc tơ hướng chạy dao tức thời nằm trong mặt phẳng chứa véc tơ pháp tuyến n và trục dụng cụ) thì lượng hớt vật liệu sẽ tốt nhất. Khi α = 900 thì chiều cao nhấp nhô để lại là lớn nhất.
51
Hình 1.44 Chiều cao nhấp nhô để lại sau khi gia công
Hình 1.45 Chiều cao nhấp nhô để lại sau khi gia công
Xét yếu tố ảnh hưởng là góc nghiêng θ của véc tơ hướng chạy dao tức thời và phương của trục dao.
Từ công thức tính bán trục nhỏ của ellipse b=R.cosθ ta thấy khi góc θ càng tăng thì b càng giảm, nghĩa là hình elip càng dẹt, do vậy mà biên dạng thực của chi tiết sau khi gia công càng gần với biên dạng lý thuyết và khi θ = 00 thì hình ellipse trở thành một đường thẳng, đường thẳng này quét theo hướng của véc tơ hướng chạy dao tức thời V tạo thành một mặt phẳng. Nếu coi bề mặt chi tiết trong một tiết diện nhỏ ∆F là một mặt phẳng có véc tơ pháp tuyến tại đó là n, trong trường hợp mặt phẳng quét bởi đường tạo hình và mặt phẳng của chi tiết trùng nhau (véc tơ pháp tuyến n trùng với trục dao và vuông góc véc tơ hướng chạy dao tức thời) thì lượng dư trên bề mặt chi tiết được cắt bỏ đi hết, khi đó bề mặt thực của chi tiết sau gia công trùng với bề mặt lý thuyết và đây là trường hợp lý tưởng của đường chạy dao trong gia công.
Hình 1.46 Đường chạy dao tối ưu
Trường hợp véc tơ pháp tuyến n trùng với trục dao và vuông góc véc tơ hướng chạy dao tức thời chỉ đạt được khi gia công các mặt phẳng vuông góc với trục dao, phần đỉnh của mặt cong và gia công trên máy phay 5 trục.
52
Nhận xét: Trong gia công bề mặt không gian, để chất lượng bề mặt chi tiết đạt được tốt nhất (ở góc độ độ chính xác hình học) về mặt lý tưởng là lựa chọn sao cho trục của dao trùng với véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công và vuông góc với véc tơ hướng chạy dao tức thời. Trong gia công trên máy phay CNC 3 trục thì không thể lựa chọn được phương án trục của dao trùng với véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công, do đó để chiều cao nhấp nhô còn lại trên bề mặt chi tiết sau khi gia công là nhỏ nhất thì phải chọn đường chạy dao sao cho véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công, véc tơ hướng chạy dao tức thời và trục của dao cùng nằm trên một mặt phẳng (hình 1.44). Trong trường hợp này khi góc giữa véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công và trục của dao càng nhỏ (hay góc giữa véc tơ pháp tuyến tại điểm tiếp xúc của bề mặt gia công và véc tơ hướng chạy dao tức thời càng lớn) thì chiều cao nhấp nhô của bề mặt đạt được càng nhỏ, và đây chính là phương án đường chạy dao tối ưu trong gia công trên máy phay 3 trục.