Nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công bằng tối ưu hóa một số yếu tố kỹ thuật của quá trình phay tinh trên máy công cụ CNC

sánh với với đƣờng chạy dao trƣớc khi đƣờng chạy dao vẫn song song với đƣờng chạy dao trƣớc có khoảng chạy dao nhất định. Để điểm P là điểm tham gia cắt không lặp lại phần gia công truớc thì thoả mãn điều kiện 4: PP RPC  (2.26) Với: xpxpP yxpPC  cos.sin.  (2.27) Kiểu chạy dao từ dƣới lên hay từ trên xuống và chiều quay của dao đều ảnh hƣởng đến góc zx  , . Với: RP = R.(ZP - (xp.cos x + )tan).sin. xp (2.28) Vị trí cắt tiếp theo đƣợc so với đƣờng chạy dao của lƣỡi cắt trƣớc xác định xem điểm P nằm trong hoặc ngoài vùng đã gia công, giả thiết vùng cắt trƣớc giới hạn bởi cung tròn trong mặt phẳng (x,y) có độ cao Zp (mặt phẳng chứa điểm P). Trên phần cầu của dao ( 0 0RZ P  ), phoi đƣợc hình thành có kích thƣớc chiều dày t0 xác Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 50 định bởi tích vô hƣớng giữa lƣợng ăn dao trên răng và véc tơ pháp tuyến er với đƣờng bao của dao tại P. t0 = ft. er = ftx.sin  sin.j +fty.cos  sin.j - ftz.cos (2.29) Trong đó: ftx, fty, ftz là lƣợng ăn dao trên lƣỡi cắt chiếu ft lên các trục toạ độ x, y, z. Giá trị của t0 là cần thiết để xác định vị trí của P có trong vùng cắt hay không. Điều kiện 5: P thuộc vùng cắt nếu t0 > 0. Tất cả 5 điều kiện trên đều đƣợc xác định thì điểm P là điểm tham gia cắt của quá trình phay. * Thoát dao Trong khi phay, thoát dao có xét đến vì nó có ảnh hƣởng lớn đến lực cắt và chất lƣợng bề mặt. Một mô hình chính xác để tính toán tất cả hình dạng gia công thực tế và chẩn đoán sai số và phƣơng thức bù bằng thay đổi lƣợng ăn dao. Thoát dao khi dao vẫn quay với lƣợng bù dao có thể đƣợc phân ra một trục nghiêng và bù so với tâm dao. Thoát dao theo trục nghiêng thƣờng sử dụng quá trình phay bề mặt nơi mà bề mặt phức tạp khó định vị đƣợc dụng cụ cắt và là nơi đƣờng kính của dao tăng đến giá trị lớn nhất. Trong quá trình phay bằng dao phay đầu cầu, giới hạn đƣờng kính dao và hình dáng tròn của dao cho phép bỏ qua trục nghiêng nếu chiều dài của dao bị giới hạn. Vận tốc cắt V = )(. pe zR (2.30) Vận tốc cắt thay đổi liên tục trong quá trình phay, góc n và góc nghiêng s thay đổi rất ít. Tất cả sự thay đổi này có ảnh hƣởng đến lực cắt. * Mô hình lực cắt khi gá nghiêng chi tiết hoặc trục dao Với mỗi lƣỡi cắt, phoi đƣợc hình thành theo điều kiện cắt xiên, hình 2.12a) có các điều kiện sau: góc nghiêng s , với chiều rộng dw, vận tốc cắt V, chiều dày của phoi là t0 và góc nghiêng của véc tơ pháp tuyến n ( coi góc có giá trị không đổi khi phay). Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 51 Hình 2.12. Quá trình tạo phoi Quá trình tạo phoi: Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt tác động lực P vào vật liệu gia công, vật liệu gia công bị biến dạng rồi phá huỷ, lớp vật liệu đƣợc tách ra thành phoi. Biến dạng trong vùng tạo phoi chiếm 90% công dùng cho cả quá trình cắt, nó cũng là nguồn phát nhiệt chủ yếu khi cắt. Lực cắt, nhiệt cắt của quá trình tạo phoi quyết định tính chất, mức độ mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt. Chi tiết gia công chịu sự tác động của lực và nhiệt cắt. Do đó mà lƣợng nhiệt cắt có ảnh hƣởng quyết định đến chất lƣợng bề mặt gia công và độ chính xác gia công. Nhƣ hình 2.12 b) góc trƣợt n là chỉ tiêu đánh giá mức độ biến dạng trong vùng tạo phoi, đƣợc xác định theo định luật Merchant: ).(21 fnn AA   (2.31) Với: )(tan 1 ff   (2.32) Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 52 f : là góc ma sát giữa bề mặt phoi và dao, f : là hệ số ma sát. A1, A2 là các hàng số phụ thuộc vào vật liệu phôi. Vật liệu phôi đƣợc giả thiết đẳng hƣớng và tuyệt đối cứng ( bỏ qua biến dạng đàn hồi).                                                       rm r n TT TT mBA 1.ln.1. 3 . 3 1 . 0 . (2.33) Trong đó: T,,, .  là ứng suất trƣợt, sức căng và đạo hàm sức căng , nhiệt độ tuyệt đối. Các thông số của vật liệu là độ cứng kéo số mũ n, hệ số sức căng m, số mũ nhiệt độ  , hằng số A và B, . 0 , Tr là nhiệt độ (reference temperatures) , Tm là nhiệt độ chảy. Mô hình của vật liệu với vùng biến dạng đầu tiên làm cơ sở để: phân tích giới hạn chảy tĩnh và tất cả các biến miêu tả vật liệu phụ thuộc vào toạ độ zs theo phƣơng pháp tuyến với vùng này. Hƣớng trƣợt đƣợc xác định bởi góc s :          n nnsnc s   cos )cos(.tansin.tan tan 1 (2.34) Góc tạo phoi c trên bề mặt nghiêng của dao, giả thiết lực ma sát và cuộn phoi là tuyến tính. Đƣợc tính toán từ phƣơng trình ẩn : 0cos).cos().sin(.tan.tan cos.sin.tan).sin).sin((cos cos).(cos.tansin.sin).cos( 2 2    cnnnnsf ccfnnnn cnnscnnn    (2.35) Đối với ứng dụng của mô hình cắt nghiêng đối với từng lƣỡi cắt của dao phay đầu cầu, sự tƣơng tác giữa các mảnh phoi với mặt nghiêng của dao có góc nhƣ phƣơng trình (2.35). Theo định luật Johnson- Cook (constitutive law) phƣơng trình chuyển động và phƣơng trình nhiệt ( với điều kiện đoạn nhiệt) có thể viết tƣơng đƣơng nhƣ sau : 0 2 0 )sin.cos.();(   nsV (2.36)          . 2 )sin.cos.(),( 0 2 2 0 nsw Vc TTT (2.37) Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 53        mTggm 1 )().(. 3. exp),( 21 0 . 0 ..   với                         rm rn TT TT TgBAg 1)(;) 3 ()( 21 (2.38) Trong đó: Tw, c,, lần lƣợt là nhiệt độ tuyệt đối của phôi trƣớc khi cắt, hằng số Taylorr- Quinney ( thông số đặc trƣng cho vật liệu dẻo vì nhiệt), mật độ vật liệu và hằng số nhiệt. Biến 0 là hằng số ứng suất trƣợt tại vùng trƣợt đầu tiên sẽ xác định từ lấy tích phân phƣơng trình vi phân từ ứng suất trƣợt của vật liệu  , đạo hàm của ứng suất trƣợt tƣơng ứng là: nss Vdz d   sin.cos. ),( 0 .  (2.39) Biến dạng dẻo nhằm giới hạn vùng trƣợt, có hai điều kiện biên xác định từ hàm biến dạng : )cos(.cos.sin cos )( ;0)0( nnsn n hs s hz z       (2.40) Sử dụng điều kiện 2.40 và lấy tích phân phƣơng trình (2.39) đƣợc chiều dày của vùng đó:   h hd V ns     0 0 . 0 ),( sin.cos. (2.41) Phƣơng trình (2.41) là phƣơng trình phi tuyến đƣợc tính toán từ 0 . Lực cắt riêng dFr, dFk, dF  trên hình 2.12 a) là các lực đẩy, lực bên và lực cắt tại lƣỡi cắt tại điểm P ứng với véc tơ đơn vị ( er, ek, e ). snssnssss snssnssss nsnssr dNdFdF dNdFdF dNdFdF      cos.sin.]cos.cossin..[tancos. ,sin.sin.]sin.coscos..[tancos. ,cos.sin.cos.    (2.42) Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 54 dFs lực gây trƣợt trên trục xs, dNs là lực pháp tuyến theo trục zs tại vùng xảy ra trƣợt đầu tiên: ss nncf cfnn s h ns s dFdN dwt dF      cos. 1)tan(.cos.tan cos.tan)tan( sin.cos .0     (2.43) Ở đây, h là ứng suất trƣợt tại vùng thoát dao xác định trong phƣơng trình (2.36) với h  . Cuối cùng, lực cắt nghiêng dFr, dFk, dF  trên trục tọa độ LCS song song với trục gia công. Giá trị của các lực đó:                                 ),,( ),,( ),,( 0________sin________cos sin__cos.cos__sin.cos cos__cos.sin__sin.sin ),,( ),,( ),,( jzdF jzdF jzdF x jzdF jzdF jzdF r jjj jjj z y x            (2.44) Các lực này phụ thuộc vào góc quay  của dao phay, vị trí z của lƣỡi cắt trên dao và số lƣỡi cắt j.                                              t e t e t e N j L z z N j L z y N j L z x z y x jzdF jzdF jzdF F F F 1 0 1 0 1 0 ),,( ),,( ),,( )( )( )(       (2.45) 2.4. Kết luận Các khảo sát về cơ chế tạo hình bề mặt bằng dao phay đầu cầu đã có một số kết quả theo các nhận định dƣới đây :  Cơ chế tạo hình hình học của dao phay đầu cầu đƣợc phân tích với các phƣơng trình cơ bản để xác định điểm giao nhau của lƣỡi dao và bề mặt gia công làm cơ sở nghiên cứu hình học của bề mặt chi tiết gia công.  Đã xác định đƣợc mối quan hệ giữa thông số hình học của dao với phôi có ảnh hƣởng đến độ nhấp nhô bề mặt, lực cắt, nhiệt cắt, tuổi thọ của dao. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 55  Độ nhấp nhô bề mặt phụ thuộc vào góc nghiêng: ZDS(X) = ZPS(X) - cos nd = Z0 + X.tan  Mục đích tiếp cận quá trình phay bằng dao phay đầu cầu với bề mặt chi tiết đƣợc gá nghiêng, lƣỡi cắt đƣợc phân tích bằng thành phần nhỏ hơn. Đối với mỗi lƣỡi cắt thành phần, phoi đƣợc hình thành bởi các điều kiện cắt khác nhau có dạng khác nhau. Thoát dao trên bề mặt phôi đƣợc xác định bởi tính toán vị trí của mỗi lƣỡi cắt có quan hệ với bề mặt phôi ban đầu, với tọa độ của bề mặt chƣa gia công và đƣờng chạy dao trƣớc. Cách này còn áp dụng đối với bề mặt có hình dáng hình học phức tạp và điều chỉnh đƣờng chạy dao bằng mô tả bề mặt chi tiết gia công và điều kiện biên đã xác lập. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 56 CHƢƠNG 3: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY TINH. 3.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công khi phay tinh bằng dao phay đầu cầu Sau khi nghiên cứu cơ chế tạo hình bề mặt chi tiết ở chƣơng 2, thấy rằng chất lƣợng bề mặt chi tiết chịu ảnh hƣởng của một số yếu tố kĩ thuật cơ bản sau : 3.1.1. Ảnh hƣởng của điều kiện cắt Lực cắt có ảnh hƣởng quyết định đến nhiệt cắt, quá trình mòn dụng cụ, do đó ảnh hƣởng quyết định đến độ chính xác gia công. Vì vậy, việc xây dựng mô hình lực cắt trong điều kiện gia công cụ thể sẽ góp phần cho việc thực hiện tối ƣu hóa quá trình cắt, nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của nguyên công phay. Hiện tƣợng nhiệt trong quá trình cắt : Nhiệt trong quá trình cắt tác động đến: - Dụng cụ cắt: Nhiệt cắt làm giảm độ cứng, độ bền cơ học, tăng độ mòn, ảnh hƣởng xấu đến khả năng cắt. - Vật liệu gia công: Nhiệt cắt làm nóng chi tiết gia công, gây biến dạng nhiệt, độ chính xác gia công giảm. Nhiệt cắt gây biến đổi cấu trúc kim loại lớp bề mặt, tạo ra ứng suất dƣ kéo, tác động xấu đến chất lƣợng lớp vật liệu bề mặt chi tiết. - Tác động vào hệ thống công nghệ: Máy - dao - chi tiết. - Nhiệt lƣợng phát sinh khi cắt lớn, thì công cơ học tiêu hao cho quá trình cắt sẽ lớn. Vì vậy giảm nhiệt cắt cho phép tăng năng suất cắt, tăng độ chính xác hình học chi tiết, nâng cao hiệu quả của quá trình cắt. Điều kiện cắt ảnh hƣởng đến nhiệt cắt [2]: - Ảnh hƣởng của tốc độ cắt: Khi tăng tốc độ cắt nhiệt lƣợng phát sinh tăng. Q = 427 .VPz (Kcal) (3.1) Từ biểu thức trên thấy rằng tốc độ cắt V tăng Q tăng và nhiệt độ vùng cắt tăng theo. Song nhiệt độ không tăng tỷ lệ với tốc độ cắt nhƣ nhiệt lƣợng Q. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 57 Quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ cắt biểu thị bằng biểu thức: uVC .1 (3.2)  : nhiệt độ cắt C1: hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công u: số mũ biểu thị mức độ ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến nhiệt cắt, u = 0,26 - 0,72. Lực cắt giảm kết hợp tăng vận tốc cắt V, giá trị cao của V nhằm ổn định quá trình cắt và chất lƣợng bề mặt. Điều đó làm cho lƣợng ăn dao thay đổi ảnh hƣởng trực tiếp đến lực cắt, những yếu tố này còn phụ thuộc vào tỷ lệ độ dày phoi t0. Giá trị lƣợng ăn dao cao nhất là 0,2 mm/rev nhằm giới hạn hiệu quả cào xƣớc nhƣng làm tăng độ võng dụng cụ và mòn dao. Giảm lƣợng chạy dao làm giảm lực cắt nhƣng độ chính xác về hình học của chi tiết phụ thuộc vào giá trị của p thƣờng không ổn định. Giá trị này có thể đƣợc so sánh với tính toán lý thuyết đạt đƣợc bởi sử dụng mô hình tính toán giảm thiểu độ võng dụng cụ và rung động. Tuy nhiên, sau khi gia công bán tinh sự đối lập giữa lực cắt và kiểu cắt nhƣ sau: lực cắt tổng thể giảm không đồng đều trên các trục. Điều này rất quan trọng để giới hạn độ võng của dao. Kiểu chạy dao từ trên xuống nhằm ổn định quá trình cắt và đạt bề mặt tốt hơn, với lƣợng chạy dao nhỏ. Kiểu cắt từ dƣới lên có hiệu quả khi đỉnh dao rộng để tham gia cắt bằng cách giới hạn lƣỡi cắt thông thƣờng, và giá trị lƣợng chạy dao lớn. 3.1.2. Ảnh hƣởng của kiểu thoát dao Độ võng và rung động của dao có thể tránh đƣợc bằng cách giới hạn và điều khiển các điều kiện cắt với cách chọn dụng cụ và gá dụng cụ. Bên cạnh đó kiểu thoát dao cũng ảnh hƣởng lớn đến rung động của dao. Trong khi phay, các lỗi kĩ thuật ảnh hƣởng đến bản thân dụng cụ (mòn, tính không đối xứng, thao tác lắp dao, không cân bằng động lực học và biến dạng nhiệt…) nhƣng cơ bản vẫn là lƣợng bù giữa vị trí của trục quay dao và trục quay thẳng đứng. Vì vậy dao quay xung quanh trục thẳng đứng với độ lệch tâm nhất định. Sự lệch tâm làm thay đổi cách ăn dao và điều kiện cắt ( vận tốc cắt và góc). Thoát dao có ảnh hƣởng trực tiếp đến lực cắt và rung Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 58 động, nó phụ thuộc vào độ chính xâc thông số hình học của trục thẳng đứng của dao và trục gá dao. Ảnh hƣởng của nó quyết định đến việc hình thành phoi có chiều dày t0, trƣờng hợp này làm cho một hoặc một vài lƣỡi cắt có thể không tham gia cắt. Lực cắt có thay đổi bởi các thông số hình học đặc biệt khi góc nghiêng tăng dần. Thoát dao cũng liên quan đến yếu tố tăng hay giảm rung động, có ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt và làm giảm tính ổn định của chất lƣợng bề mặt. Độ lệch tâm e lớn làm chất lƣợng bề mặt không ổn định. Ảnh hƣởng của bán kính bù dao tăng lên cùng góc nghiêng, góc nghiêng giữa dao và phôi là thông số tối ƣu để giới hạn giá trị thoát dao. Mòn dao cũng có ảnh hƣởng lớn đến độ chính xác hình học của bề mặt chi tiết. Sự không đồng nhất giữa lực cắt thực trên lƣỡi cắt do sự không đối xứng gây ra mòn dao, kéo theo tuổi thọ giảm trên lƣỡi cắt này có thể tăng trên lƣỡi cắt khác. 3.1.3. Ảnh hƣởng của tì dao lên bề mặt gia công Hiện tƣợng chảy vật liệu xảy ra xung quanh lƣỡi cắt do lực cắt thành phần Fz. Thực ra, chảy vật liệu làm xuất hiện hiện tƣợng trƣợt trên bề mặt dẫn tới lực tì lên bề mặt lớn. Lực tì tăng dần xung quanh vùng đỉnh dao nơi mà vận tốc cắt và chiều dày phoi dần tới không (0) (tại đây lực tì lớn nhất). Lực cào xƣớc có phƣơng pháp tuyến với đƣờng bao của dao và tại đỉnh dao nó trùng với trục z. Độ sắc của lƣỡi cắt ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình cắt và hiện tƣợng tì dao. Khi dao bị mòn muốn tăng lực cắt chính thì lực tì lên bề mặt cũng lớn, khó nâng cao đồng thời cả tuổi thọ dụng cụ và giới hạn lƣỡi cắt tham gia cắt khi chọn góc nghiêng, góc hở giữa hai lƣỡi cắt, góc xoắn ốc và bán kính cạnh cắt. Đối với chọn lựa khi phay, góc nghiêng và góc giữa hai lƣỡi cắt chọn giá trị nhỏ và ảnh hƣởng của lực tì có thể đƣợc điều chỉnh. Hiện tƣợng tì đỉnh dao lên bề mặt chi tiết làm tăng lực cắt, nó cũng ảnh hƣởng đến các tính chất cơ bản của bề mặt (độ nhám bề mặt, ứng suất dƣ lớn dần) và giảm tuổi thọ dụng cụ, vì thế nên tránh hiện tƣợng này. Ảnh hƣởng của tì lên bề mặt có thể đƣợc giới hạn bằng cách tăng độ nghiêng giữa dao và phôi, giữ cho vùng đỉnh dao không tham gia cắt gọt. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 59 3.1.4. Ảnh hƣởng 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 đƣờng cong của biên dạng chi tiết từ dƣới lên, chạy theo đƣờng cong của biên dạng chi tiết từ trên xuống, chạy dao theo phƣơng ngang từ trái sang phải, chạy dao theo phƣơng ngang từ phải sang trái. Mỗi kiểu chạy dao nhƣ vậy đều chọn kiểu thoát dao, bù dao phù hợp và các thông số hình học tối ƣu sẽ nâng cao chất lƣợng bề mặt chi tiết. 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 phƣơng 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 hƣởng của các thông số kĩ thuât nhƣ hình dáng hình học của phôi và dao, chế độ cắt, lực cắt quyết định đến chất lƣợng 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 hƣởng của góc gá đặt phôi và dao, kết hợp với việc chọn kiểu dụng cụ tối ƣu để đảm bảo các thông số hình học cần thiết trong quá trình gia công nhằm nâng cao chất lƣợng bề mặt chi tiết và khắc phục một số nhƣợc điểm trên bề mặt chi tiết trong thực tế. 3.2.1. Chọn thông số gá đặt tối ƣu để tránh cắt ở đỉnh dao Dao phay đầu cầu đƣợc 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 lƣỡi cắt đƣợc xác định trên mặt cầu. Khi gia công bề mặt phức tạp thì chất lƣợng 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 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 60 quá trình gia công ngƣời ta cần hạn chế đến mức tối đa sự tham gia của khu vực này vào quá trình cắt gọt. Nhƣ trên đã nói, đoạn lƣỡi cắt của dao phay cầu tham gia cắt phụ thuộc vào vị trí tƣơng quan giữa trục dao và bề mặt gia công. Để xác định điều kiện tránh cắt ở đỉnh dao, bằng phƣơng pháp phân tích hình học khi xem xét trƣờng hợp dao gia công mặt nghiêng nhƣ sơ đồ cắt hình 3.1. Theo sơ đồ này vị trí của dao phay đƣợc 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 tƣơng quan giữa dao và phôi đƣợc 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). Hình 3.1. Phƣơng thức chuyển dao khi phay mặt phẳng bằng dao phay đầu cầu a) Chuyển dao từ dƣới lên. b) Chuyển dao từ trên xuống. + Khi chuyển dao từ dƣới lên ) 2 arcsin( R p  (3.3) + Khi chuyển dao từ trên xuống )cos( R aR ar p   (3.4) Ngƣợc lại dao sẽ cắt ở đỉnh nếu: + Khi tiến dao lên   arcsin ( R p 2  ) (3.5) Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 61 + Khi tiến dao xuống  arccos ( R pR  ) (3.6) Trong đó: là góc hợp bởi đƣờng tâm dao và pháp tuyến của bề mặt gia công tại vị trí xét p là bƣớc 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. Khảo sát sự thay đổi phương chiều của các véc tơ pháp tuyến so với trục thẳng đứng (trục của dao phay): Hệ trục tọa độ và vị trí giữa dao- chi tiết nhƣ hình 1.1, vậy cần khảo sát véc tơ pháp tuyến trong mặt phẳng (XOZ) và (YOZ). Phƣơng 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. maxmin BBB   Bề mặt chi tiết gia công có phƣơng trình tổng quát: F(X,Y,Z) = 0 hay Z = F(X,Y), với phƣơng trình pháp tuyến trong bảng 1. Xác định véc tơ pháp tuyến MB( 0,B  ), với góc khảo sát và tính toán là góc tạo bởi gradient hƣớng theo pháp tuyến của bề mặt và véc tơ đơn vị của các trục tọa độ (trục của dao hay trục OZ). BgradFozgradZ F cos.),(    (3.7) mà k Z F j Y F i X F gradF ...          (3.8) nên n F gradF    (3.9) 000 cos MMM B X F or Y F Z n         (3.10) Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 62 Trong mặt phẳng (YOZ): Cos  0M Y F   và theo toán học giá trị của hàm cosin là: 10 0     MY F Trong mặt phẳng (XOZ): Cos  0M X F   , và theo toán học 10 0     MX F nếu 1cos B ( tại điểm cực trị của bề mặt chi tiết) thì pháp tuyến có phƣơng trùng với trục Z, đây là phƣơng của trục gá dao nên tại đây đỉnh dao không tham gia cắt nên v = 0 sẽ gây hiện tƣợng tì dao vào bề mặt chi tiết và xuất hiện hiện tƣợng độ nhám bề mặt chi tiết không đồng đều. Điều kiện của pháp tuyến là 1cos0  B tƣơng đƣơng với điều kiện 00 900  B . Khảo sát biến thiên của véc tơ pháp tuyến trong mặt phẳng (XOZ) và (YOZ) bằng công cụ MatLab: f = f(x,y,z); Nhập phương trình bề mặt chi tiết z1=diff(f,x); Đạo hàm riêng cấp 1 của hàm f theo x z2=diff(f,y); Đạo hàm riêng cấp 1 của hàm f theo y x = xmin : x : xmax ; Các tọa độ X của điểm M z = zmin : z : zmax ; Các tọa độ Z của điểm M )2cos(1 zaB  ; góc giữa pháp tuyến và trục oz trong (XOY) )1cos(2 zaB  ; góc giữa pháp tuyến và trục oz trong (XOZ) Vậy, khi Mo thay đổi vị trí thì véc tơ pháp tuyến cũng có phƣơng thay đổi, trong bề mặt chi tiết xuất hiện một số điểm cực trị, tại các điểm này xảy ra trƣờng hợp 1cos B Tìm các điểm cực trị đó bằng cách xác định các điều kiện của (1.14, 1.15, 1.16). Nếu p = 0, q = 0 và s2 – r.t < 0 thì F(X,Y,Z) đạt cực trị tại Mm. Đó là điểm cực tiểu nếu r > 0, điểm cực đại nếu r < 0. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 Tại các điểm cực trị thì 0, dao không cắt gọt tại các vị trí này. Vậy có một phƣơng pháp để làm thay đổi các điểm cực trị tại từng thời điểm phay chi tiết. Đó là chuyển hệ tọa độ của chi tiết sang một hệ tọa độ mới: Giả sử có các điểm cực trị trong vùng chi tiết là M1 (X1, Y1, Z1); M2(X2, Y2, Z2); …; Mm(Xm, Ym, Zm) đƣợc khảo sát nhờ phần mềm MatLab: syms r x z y t; f = f(x,y,z); Nhập phương trình bề mặt chi tiết z1=diff(f,x); Đạo hàm riêng cấp 1 của hàm f theo x z2=diff(f,z); Đạo hàm riêng cấp 1 của hàm f theo z z3=diff(f,y); Đạo hàm riêng cấp 1 của hàm f theo y z4= diff(f,x,2); Đạo hàm riêng cấp 2 của hàm f theo x xm=roots(z1); Tọa độ X của điểm cực trị zm=roots(z2); Tọa độ Z của điểm cực trị ym=roots(z3); Tọa độ Y của điểm cực trị Khi xoay phôi một góc  thì tọa độ của chúng thay đổi và xét trong hệ tọa độ cũ: Tính toán tọa độ của Mo’ trong hệ tọa độ OXYZ, 2 sin.2 22  zxb  ; 2 0 12 2 90;   x z artg h ) 2 90sin(. 2 sin.2 022 x z artgzx   O X Z Y B  Z' X' Y' M0 x z z' y M'0 x' O X Z x z b h a    x' z' MB Hình 3.2. Tọa độ một điểm M0 trên bề mặt chi tiết khi gá nghiêng Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 64 ) 2 90cos(. 2 sin.2 022 x z artgzxa   Tọa độ của điểm M0’(x’,y’,z’): ) 2 90sin(. 2 sin.2' ' ) 2 90cos(. 2 sin.2' 022 022 x z artgzxzhzz yy x z artgzxxaxx       (3.11) Thay vào biểu thức p = 0M X F   , q = 0M Y F   và tìm đƣợc góc gá đặt phôi để tránh các điểm cực trị trên (tức là 0',0' 00 ''        MM Y F q X F p ). Với mỗi điểm cực trị ta tìm đƣợc góc gá đặt, tổng hợp các điều kiện đó chọn ra góc gá đặt tối ƣu để gá chi tiết nhằm gia công đạt chất lƣợng bề mặt (độ nhám bề mặt đồng đều). Vậy, điều kiện để độ nhám bề mặt chi tiết đồng đều là:                      0) 2 90sin( 0) 2 90cos( 0 2 sin 0) 2 90sin(. 2 sin 0) 2 90cos(. 2 si 0 0 0 0 x z arctg x z arctg x z arctg x z arctg      (3.12) )(2) ) arccos( x z arctg R aR p    (3.13) 3.2.2. Chọn kích thƣớc dụng cụ tối ƣu 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 đƣợc 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] Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 65 Tuy vậy, không phải tất cả các họ đƣờng cong hoặc họ mặt cong cho trƣớc đều tìm đƣợc đƣờng 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 phƣơng của pháp tuyến N tại mỗi điểm của bề mặt chi tiết cho trƣớc 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 hƣởng đến điều kiện tiếp xúc là sự thay đổi hƣớng tốc độ chuyển động tƣơng đối của cặp bề mặt đó. Thay đổi hƣớng 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 tƣơng 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 tƣơng đối giữa chi tiết và dụng cụ V . Trong quá trình gia công chọn kích thƣớc dụng cụ tối ƣu kết hợp với chọn góc nghiêng tối ƣu giữa trục dao và pháp tuyến bề mặt chi tiết gia công tại các điểm tham gia cắt của lƣỡi 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 lƣợng bề mặt. Xác định bán kính cong tại mọi điểm trên bề mặt chi tiết theo công thức (M) : ),cos(. NnRct  (3.14) Bán kính R xác định theo công thức Euler (E) : 2 2 1 2 sincos1 RRR   (3.15) R1 và R2 đƣợc tính nhƣ nghiệm của phƣơng trình bậc hai: Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 66 (rt – s2). R2 + h[2p.q.s – ( 1 + p2) – (1 + q2).r]. R + h4 = 0 (3.16) Trong đó: 22 2 22 2 2 1,, . ;;; qph y z t yx z s x z r y z q x z p                 Bán kính cong của lƣỡi cắt tại các điểm cắt P là:        )( 11 . 2 1 0 zRR d (3.17) R0 là bán kính phần cầu của dao, R(z) bán kính thực tham gia cắt. Để khắc phục hiện tƣợng 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): d < ct (3.18) 3.3. Kết luận Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số kĩ thuật của quá trình phay tinh đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công với một số kết quả: Các thông số kĩ thuật trong quá trình phay tinh nhƣ: điều kiện cắt, thoát dao, lực tì và góc nghiêng giữa dao và phôi có ảnh hƣởng nhiều đến các thành phần lực cắt trên các trục tọa độ và cũng ảnh hƣởng chất lƣợng bề mặt chi tiết. Đặc biệt, ảnh hƣởng quan trọng của góc nghiêng giữa dao và phôi khi gia công đến chất lƣợng bề mặt chi tiết. Các khảo sát về các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công dẫn đến các lựa chọn tối ƣu: - Giải pháp tối ƣu để khắc phục một số nhƣợc 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 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 đƣợc góc gá đặt và bán kính đầu cầu tối ƣu theo công thức (3.13) và (3.17). - Các thực nghiệm gia công bề mặt chi tiết, sử dụng dao phay đầu cầu trên Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 67 máy công cụ CNC nhằm kiểm nghiệm kết quả của nghiên cứu sẽ đƣợc trình bày ở chƣơng tiếp theo. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 68 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM PHAY TINH BỀ MẶT THEO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Để đánh giá và so sánh chất lƣợng bề mặt của các chi tiết trong khi phay tinh các bề mặt có hình dáng hình học phức tạp và chọn đƣợc thông số kĩ thuật tối ƣu (nhƣ góc nghiêng tối ƣu, kích thƣớc dụng cụ tối ƣu). Tiến hành thực nghiệm phay tinh bề mặt cong bậc hai 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 phƣơng 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 lƣợng bề mặt tốt nhất từ các điều kiện thực tế yêu cầu. 4.1.1. Máy công cụ CNC Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy: Kích thƣớc 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 đƣợc các công việc cụ thể: Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 69 -Trên các máy phay 2D, dụng cụ thực hiện chuyển động trong mặt phẳng XOY để tạo nên các đƣờng 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 đƣờng 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 đƣờng cong phẳng, còn trục thứ 3 đƣợc điều khiển chuyển động độc lập. Điều khác biệt so với điều khiển 2D là ở chỗ hai trục đƣợc điều khiển đồng thời có thể đổi vị trí cho nhau. - Máy phay 4D, 5D: trên cơ sở của điều khiển 3D, ngƣời 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 nhƣ 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 đƣợc việc gia công bằng 3D vì có thể tốc độ cắt sẽ khác nhau hoặc có những điểm tốc độ cắt bằng không hay lƣỡi cắt của dụng cụ không thể gia công nhƣ mong muốn (nhƣ góc cắt không thuận lợi hay vƣớng 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 nhƣ 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). 4.1.2. 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 lƣỡi cắt trên cả phần trụ và phần cầu. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 70 Đặc điểm của dạng dao này là cả lƣỡi cắt trên phần cầu và trụ đều có thể tham gia cắt đồng thời. Nhƣng tuỳ theo mục đích sử dụng mà phần thân dao đƣợc chế tạo theo một trong hai kiểu sau:  Kiểu 1: Dao có đƣờng kính danh nghĩa phần cắt và phần chuôi bằng nhau nhƣ hình 4.2. a, b Đây là dạng dao có ƣu điểm trong gia công mặt cong lồi và hốc sâu vì kết cấu dao không ảnh hƣởng đến việc tiến sâu của dao. Nhƣng độ cứng vững của dao sẽ kém nếu gá dao quá dài, đặc biệt với những dao có đƣờng kính gia công nhỏ. Hình 4.2. a. Hình dạng - kích thƣớc chế tạo của dao phay cầu kiểu 1 ký kiệu BZD25G hãng Missubishi - Nhật Bản [7]. Hình 4.2. b. Hình dạng - kích thƣớc chế tạo của dao phay cầu kiểu 1 ký kiệu BLG2000SF hãng Sumitomo - Nhật Bản [7]. b. Dạng 2: Dao chỉ có lƣỡi cắt trên phần cầu Nếu nhƣ xét đến tính chuyên dùng khi gia công các mặt cong phức tạp, các mặt cong chuyển tiếp…. thì chỉ có phần lƣỡi cắt trên phần cầu của dao là tham gia cắt. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 71 Vì thế các hãng sản xuất dao đã chế tạo loại dao cầu chỉ có lƣỡi cắt trên mặt cầu. Kết cấu thân dao dạng này cũng gồm hai kiểu nhƣ dạng 1 nhƣ hình 4.4. Hình 4.3. Hình dạng - kích thƣớc chế tạo của dao chỉ có lƣỡi 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 lƣỡi dao, mẻ dao….. Nếu nhƣ gia công theo chế độ cắt hợp lý thì có thể khẳng định rằng Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 72 đa phần là dao bị hỏng do mòn, mẻ. Vì vậy để nâng cao hiệu quả sử dụng ngƣời ta chế tạo dao phay cầu ghép mảnh. Ƣu điểm của dao phay cầu ghép mảnh là phần cán dao cố định còn phần lƣỡi cắt sẽ đƣợc thay thế khi mòn, hỏng,….. Nhƣng hạn chế của giải pháp này là khó áp dụng đối với dao có đƣờng kính nhỏ. Hầu hết các mảnh dao cầu đều đƣợc làm từ những vật liệu có tính năng cắt tốt, hoặc đƣợc phủ để tăng tuổi bền và khả năng cắt gọt. Thân dao ngoài việc đƣợc chế tạo bằng nhũng loại vật liệu có độ bền cao chúng còn đƣợc tăng bền nhƣ thấm Nitơ, phủ TiN, TiAlN….. để tăng tuổi thọ của cán dao. Dao ghép mảnh có thể đƣợc phân ra:  Dao ghép một mảnh cắt, dạng dao này thƣờng chỉ có lƣỡi cắt trên phần cầu nhƣ hình 4.4. a, b. Hình 4.4. a. Hình dạng - kích thƣớc 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 đƣợc sử dụng nhiều lần do kết cấu của mảnh ghép và thân dao có thể đổi lƣỡi cắt khi mảnh dao bị mòn nhƣ hình 4.5. c, d, e, f Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 73 PUE UPM40, UPM50 UPM50P0 UPM40P1, UPM50P1 Hình 4.5. c. Hình dạng - kích thƣớc 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 chƣơng trình điều khiển: Điểm chuẩn của dao P: là điểm mà từ đó lập chƣơng trình chuyển động trong quá trình gia công. Với dao phay đầu cầu điểm P là tâm mặt cầu. Hình 4.6. Điểm chuẩn của dao phay đầu cầu apmax (chiều sâu cắt lớn nhất) Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 74 Ngoài ra, khi muốn thực hiện trên các máy này còn quan tâm đến điểm gá đặt dao và điểm thay dao. 4.2. Tiến hành thí nghiệm Để có thể chọn đƣợc góc nghiêng tối ƣu và kích thƣớc dụng cụ phù hợp khi gia công thép hợp kim CR12MOV bằng dao phay cầu 10 phủ TiAlN thì ở chƣơng này ta tiến hành việc thực nghiệm bằng cách sử dụng dao phay cầu phủ TiAlN để phay thép hợp kim CR12MOV với các chế độ cắt khác nhau. Tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của đồng thời các thông số vận tốc cắt và góc nghiêng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công thông qua việc đánh giá độ nhám bề mặt khi thay đổi vận tốc cắt và góc nghiêng để chọn góc nghiêng hợp lý khi phay tinh trên máy phay CNC. Mục đích: - Thông qua thực nghiệm khi tiến hành dùng dao phay cầu phủ TiAlN phay thép hợp kim CR12MOV (phay bề mặt parabol) với các chế độ cắt và góc nghiêng của phôi khác nhau rồi đƣa ra nhận xét và kết luận tƣơng ứng. - Xác định giới hạn góc gá đặt tối ƣu cho dao và phôi. - Mục tiêu của việc xây dựng thí nghiệm là nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố kỹ thuật trong quá trình cắt đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công và làm cơ sở để lựa chọn giải pháp kĩ thuật tối ƣu trong thực tế. 4.2.1. Các thông số kĩ thuật của quá trình phay tinh Bảng 4.1. Các thông số kĩ thuật khi phay tinh Thông số vào Quá trình phay Thông số ra Hệ thống Công nghệ Các đại lƣợng xuất hiện trong quá trình cắt Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 75 - Máy phay CNC VMC-85S - Phôi thép: CR12MOV - Dao phay cầu phủ TiAlN - Chế độ cắt -Thông số gá đặt - Lực cắt - Nhiệt cắt - Rung động - Mòn dao - Chất lƣợng bề mặt: Độ nhám bề mặt. Sóng bề mặt. Cơ lý lớp bề mặt. 4.2.2.1.Máy Thực nghiệm đƣợc tiến hành tại trung tâm gia công VMC - 85S do hãng Maximart sản xuất năm 2003 với hệ điều khiển Fanuc OMD, máy có khả năng tích hợp CAD/CAM qua cổng RS 232 của Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Thái Nguyên Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật cơ bản của máy phay VMC- 85S Thông số Đơn vị Kích thƣớc Kích thƣớc bàn làm việc mm 515 x 1050 Hành trình theo trục X mm 850 Hành trình theo trục Y mm 560 Hành trình theo trục Z mm 520 Đƣờng kính trục chính mm 65 Tốc độ cắt (chạy dao) mm/ph 1 - 5000 Tốc độ dịch chuyển nhanh theo X, Y mm/ph 12000 Tốc độ dịch chuyển nhanh theo Z mm/ph 10000 Công suất động cơ chính Kw 3.7 - 5.5 Động cơ secvo X, Y, Z Kw 0.5 - 3.5 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 76 Trọng lƣợng Kg 4200 Tốc độ quay trục chính Vg/ph 60 - 8000 16 đầu dao BT 40 Kích thƣớc tổng thể mm 3500 x 3020 x 2520 4.2.2.2. Dụng cụ cắt - Mảnh dao phay cầu phủ TiAlN hai lƣỡi cắt ký hiệu VP15TF của hãng Mitsubishi - Nhật Bản có thông số nhƣ sau: + Độ cứng của mảnh dao 91.5 HRA + Độ bền nén 2.5 GPa + Đƣờng kính mảnh dao: 10 mm + Chiều dài phần cắt: 8.5 mm + Số lƣỡi cắt: z = 2. + Góc độ: Góc trƣớc  = 0; góc sau  = 5 - Thân dao ký hiệu SRFH10S12M của hãng Mitsubishi - Nhật Bản có thông số nhƣ sau: + Đƣờng kính chuôi dao: 12h6 mm + Chiều dài thân dao: 120 mm 4.2.2.3. Chi tiết gia công Thép hợp kim CR12MOV đã qua tạo hình dáng và tôi Độ cứng: 44 – 45 HRC Kích thƣớc: 270x90x40 Thành phần hoá học: Bảng 4.3: Thành phần các nguyên tố hoá học thép CR12MOV. Nguyên tố hoá C Si P Mn Cu V Cr Mo Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 77 học Hàm lƣợng % 1.57 0.29 0.020 0.25 0.19 0.19 11.46 0.44 Thông số hình học của chi tiết gia công: Hình 4.7 a) Thông số hình học của chi tiết Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 78 Hình 4.7 b). Thông số hình học của chi tiết gia công 4.3. Phân tích các yếu tố kĩ thuật Chuẩn bị trƣớc khi gia công gồm:  Tạo phôi: Bao gồm việc xác định mác thép hợp kim CR12MOV, gia công chuẩn bị phôi, đo độ cứng trƣớc khi gia công.  Chuẩn bị đồ gá, phƣơng tiện đo kiểm theo phƣơng án gia công, chọn máy, lập chƣơng trình gia công chi tiết trên máy trên máy CNC theo bộ thông số  , S, V, t dùng để khảo sát. Tiến hành gia công và kiểm tra kết quả:  Dùng dao phay cầu 10 phủ TiAlN để gia công, quan sát, ghi chép kết quả.  Tiến hành đo lấy kết quả. Xử lý số liệu sau gia công, rút ra kết luận tƣơng ứng chỉ dẫn cần thiết, dùng làm tài liệu cho các nhà sản xuất có quan tâm về lĩnh vực này. 4.3.1. Phân tích bề mặt chi tiết gia công Bề mặt chi tiết gia công là mặt cong có phƣơng trình toán nhƣ sau: (X – 135)2 = -202,5.(Z – 90) (4.1) (X – 135)2 + 202,5. (Z – 90) = 0 270 90 40 X Z Z Y O Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 79 - Khảo sát các thông số hình học của bề mặt chi tiết gia công: biến thiên của véc tơ pháp tuyến, các điểm đặc biệt của bề mặt chi tiết ( điểm cực trị). Khảo sát bằng MatLab: syms x z y t; y=(x-135)^2+202.5*(z-90); z1=diff(y,x); z2=diff(y,z); xm=roots(z1); zm=roots(z2); Các điểm đặc biệt của bề mặt chi tiết gia công: Theo công thức (1.15) ta có: p = 0M X F   = 2(X – 135), q = 0M Y F   = 202,5.(Z - 90), 02 0 2 2     M X F r Vậy điểm M0 (135, y, 90) là điểm cực đại của bề mặt chi tiết gia công. Khảo sát biến thiên của véc tơ pháp tuyến trên bề mặt chi tiết: nhƣ chƣơng 2 đã chứng minh để véc tơ pháp tuyến không có phƣơng trùng với phƣơng của dao thì các điểm trên bề mặt của chi tiết có tọa độ thỏa mãn điều kiện: 2(X – 135) 0 nên X < 135 hoặc 2(Z – 90) < 0 nên Z < 90 Điều kiện 1:      90 135 Z X (4.2) Giải pháp tránh sự tham gia cắt của đỉnh dao cầu: khi xoay mặt chi tiết một góc nghiêng là  theo chiều ngƣợc chiều kim đồng hồ thì tọa độ của điểm M0 trong hệ tọa độ OXYZ thay đổi thành M’0 (x’,y’,z’), Theo công thức : ) 135 90 2 90sin(. 2 sin.90135290' ' ) 135 90 2 90cos(. 2 sin.901352135' 022 022 artghzz yy artgaxx      Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 80 Điều kiện để M0’ không là điểm cực trị của bề mặt chi tiết là      90' 135' z x 90) 135 90 2 90sin(. 2 sin.90135290' ' 135) 135 90 2 90cos(. 2 sin.901352135' 022 022    artghzz yy artgaxx                     0) 135 90 2 90cos( 0 2 sin 0) 135 90 2 90sin(. 2 sin 0) 135 90 2 90cos(. 2 sin 00 0 artgartg artg     Vậy, góc gá phôi tối ƣu theo (3.13) là các góc sau 00 38,6726,16   (4.3) Kết hợp một số điều kiện, tìm đƣợc góc gá đặt chi tiết tối ƣu nhƣ (4.3). 4.3.2. Chế độ cắt Theo chế độ cắt khi gia công tinh trên các máy công cụ CNC: Theo công thức : V = 1000 .sin.. nD i (m/ph) F = Sz. n. z (mm/phút) ; Sz = 0,2 (mm/vòng) Thời gian gia công: t = 20 (phút). Chọn các chế độ cắt nhƣ bảng sau: Bảng 4.4. Chế độ cắt khi phay tinh chi tiết TT Vận tốc cắt V (m/ph) Tốc độ quay của dao n(vòng/ph) Bƣớc tiến dao F(mm/ph) Lƣợng chạy dao ae(mm) Chiều sâu cắt ap (mm) Góc gá nghiêng phôi  (độ) Bán kính dao R0 (mm) Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 81 1 110 7956 3182 0,5 0,2 10 0 5 2 50 4655 1862 0,5 0,2 20 0 5 3 110 3603 1441 0,5 0,2 45,5 0 5 4 80 2800 1120 0,5 0,2 45,5 0 5 5 50 1769 708 0,5 0,2 60 0 5 6 110 3892 1556 0,5 0,2 60 0 5 7 80 2638 1055 0,5 0,2 75 0 5 8 110 4954 1981 0,5 0,2 45 0 5 4.3.3. Dụng cụ đo kiểm Máy đo nhám bề mặt SJ 201 của Mitutoyo. 4.4. Kết quả thí nghiệm Bảng 4.5. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm khi phay tinh chi tiết có bề mặt parabol T T Vận tốc cắt V (m/ph) Lƣợng chạy dao ae(mm) Chiều sâu cắt ap (mm) Góc gá nghiên g phôi  (độ) Bán kính dao R0 (mm) Độ nhám bề mặt Cấp độ nhám Ra( m ) Rz( m ) 1 110 0,5 0,2 10 0 5 1,39 6,2 6 2 50 0,5 0,2 20 0 5 0,95 4,94 7 3 110 0,5 0,2 45 0 5 0,78 4,32 7 4 110 0,5 0,2 45,5 0 5 0,69 4,09 7 5 80 0,5 0,2 45,5 0 5 0,71 4,21 7 6 50 0,5 0,2 60 0 5 0,66 3,42 7 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 82 7 110 0,5 0,2 60 0 5 0,55 3,09 8 So sánh với trƣờng hợp gia công chi tiết có bề mặt phẳng, các thông số kĩ thuật giống nhƣ trƣờng hợp phay tinh mặt parabol trên: Bảng 4.6 : Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm khi phay tinh chi tiết có bề mặt phẳng T T Vận tốc cắt V (m/ph) Lƣợng chạy dao ae(mm) Chiều sâu cắt ap (mm) Góc gá nghiên g phôi  (độ) Bán kính dao R0 (mm) Độ nhám bề mặt Cấp độ nhám Ra( m ) Rz( m ) 1 80 0,5 0,2 0 0 5 1,26 5,46 6 2 50 0,5 0,2 10 0 5 1,22 4,25 7 3 110 0,5 0,2 10 0 5 0,85 3,95 7 4 80 0,5 0,2 42,5 0 5 0,75 2,25 7 5 50 0,5 0,2 75 0 5 0,82 3,35 7 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 83 4.5. Một số hình ảnh thí nghiệm Hình 4.8. Hình ảnh gia công khi chi tiết đƣợc gá nghiêng 200 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 84 Hình 4.9. Phay tinh chi tiết đƣợc gá nghiêng 45,50 Hình 4.10. Bề mặt chi tiết khi gá nghiêng 45,50 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 85 Hình 4.11. Đo độ nhám bề mặt chi tiết 4.6. Đánh giá kết quả Dựa vào bảng kết quả tổng hợp đo của các thí nghiệm, nhận thấy: - Khi gia công bề mặt phẳng hay mặt cong trên máy phay CNC việc gá nghiêng phôi đều làm nâng cao chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công so với khi chƣa thay đổi thông số này. - Đặc biệt việc gá nghiêng phôi trong phạm vi góc gá tối ƣu cho độ nhám bề mặt đồng đều. Kết hợp với chọn kích thƣớc của dao phù hợp khắc phục đƣợc một số nhƣợc điểm của gia công tinh bằng dao phay đầu cầu nhƣ hiện tƣợng cắt lẹm, trƣợt, mòn dao... - Góc gá nghiêng phôi ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng gia công bề mặt. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 86 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1. Kết quả nghiên cứu Nghiên cứu về quá trình phay tinh các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp, sử dụng dao phay đầu cầu cho thấy việc tạo hình bề mặt, chọn dao và các yếu tố hình học của nó cũng nhƣ chế độ cắt trong quá trình gia công là rất phức tạp. Các nghiên cứu đƣợc trình bày ở trên đã đạt đƣợc một số kết quả sau:  Mô hình hóa hình học bề mặt chi tiết gia công và qui luật biến thiên của véc tơ pháp tuyến của bề mặt chi tiết, làm cơ sở lựa chọn thông số kĩ thuật của quá trình gia công hợp lý.  Đã xác định đƣợc mối quan hệ giữa thông số hình học của dao với phôi có ảnh hƣởng đến độ nhấp nhô bề mặt, lực cắt, nhiệt cắt, tuổi thọ của dao.  Góc gá nghiêng phôi hoặc dao ảnh hƣởng lớn đến độ nhấp nhô bề mặt gia công.  Đề xuất giải pháp tối ƣu để khắc phục một số nhƣợc điểm của gia công bằng dao phay đầu cầu. Ứng với một bề mặt cho trƣớc đã xác định đƣợc góc gá nghiêng và bán kính đầu cầu tối ƣu theo công thức (3.13) và (3.17). Đây là kết quả chủ yếu của đề tài.  Đã kiểm chứng nghiên cứu bằng thực nghiệm và nhận thấy kết quả đo phù hợp với các nhận định của đề tài. 5.2. Hƣớng phát triển của đề tài Các nghiên cứu cần thiết để phát triển đề tài bao gồm:  Thiết lập mô hình toán học và mô hình hóa mặt offset của bề mặt tạo hình làm cơ sở xác định dữ liệu điều khiển máy CNC sử dụng dao phay đầu cầu.  Tối ƣu hóa và nâng cao hiệu quả quá trình gia công tinh bề mặt bằng dao phay đầu cầu trên máy công cụ CNC. Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. PGS, TS. Nguyễn Trọng Bình (2003), Tối ưu hoá quá trình gia công cắt gọt, NXB Giáo dục. [2]. Trần Hữu Đà, Nguyễn Văn Hùng, Cao Thanh Long (1998), Cơ sở chất lượng của quá trình cắt, Trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp. [3]. TSKH. Bành Tiến Long, PGS.TS. Trần Thế Lục, Trần Sĩ Tuý (2004), Công nghệ tạo hình các bề mặt dụng cụ công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [4]. A.V. Ephimop, B.P. Đemiđovich (1996), Sổ tay toán học cao cấp, NXB Khoa học & Kĩ thuật. [5]. Nguyễn Thế Tranh (2006), Công nghệ CAD/CAM, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [6] A.V. Ephimop, B.P. Đemiđovich (1996), Tuyển tập các bài toán cho các trường đại học kỹ thuật, NXB Khoa học & Kĩ thuật, TP Hồ Chí Minh. Tiếng Anh [7]. MITSUBISHI General catalogue (2008), Turning tools, rotating tools, tooling solutions. [8]. SUMITOMO General catalogue (2008), Performance cutting tools. [9]. Sandvik Coromant, Die and Mould making, Application guide. [10]. Athulan Vijayaraghavan, Aaron M.Hoover , Jeffrey Hartnett, DavidA. Dornfeld, Improving endmilling surface finish by workpiece rotation and adaptive toolpath spacing, University of California, 1115 Etcheverry Hall, Berkeley, CA94720-1740, USA. [11] D.K.Aspinwall, R.C.Dewes, E.G.Ng, C.Sage, S.L.Soo, The influence of cutter orientation and workpiece angle on machinability when high-speed milling, Inconel 718 under finishing conditions, International Journal of Machine Tools and Manufacture 47 (2007) 1839- 1846. [12] M.Balasubramaniam, P.Laxmiprasad, S.Sarma, Z.Shaikh, Generating 5-axis NC roughing paths directly from a tesselated representation, Computer-Aided Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM 88 Design 32 (2000) 261 -277. [13] G.Loney, T.Ozsoy, Nc machining of free –form surfaces, Computer-Aided Design 19 (2) (1987) 85 -90. [14] H.K.Tonshoff, J.Hernandez-Camacho, Die manufacturing by 5- and 3-axes milling:influence of surface shape on cutting conditions, Journal of Mechanical Working Technology 20 (1989) 105 -119. [15] Y.Mizugaki, M.Hao, K.Kikkawa, T.Nakagawa, Geometric generating mechanism of machined surface by ball-nosed end milling, CIRPAnnal- s—Manufacturing Technology 50 (1) (2001) 69- 72. [16]. N. Liu, M. Loftus, A. Whitten, Surface finish visualisation in high speed, ball nose milling applications, International Journal of Machine Tools and Manufacture 45 (10) (2005) 1152–1161. [17]. M. Fontaine, A. Moufki, A. Devillez, D. Dudzinski, Modelling of cutting forces in ball-end milling with tool-surface inclination, Journal of Materials Processing Technology 189 (2007) 73-84 .