tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG GIA CÔNG THÔ TRÊN máy PHAY CNC BẰNG DAO PHAY đầu cầu

-1ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP

******

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG GIA
CÔNG THÔ TRÊN MÁY PHAY CNC BẰNG
DAO PHAY ĐẦU CẦU

Học Viên: Dương Văn Đức
Lớp: CHK12 CTM
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
HDKH: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

THÁI NGUYÊN - 2011


-21. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa
học cơng nghệ trên tất cả các lĩnh vực địi học các sản
phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về
chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hóa sản xuất và
đặc biệt là chất lượng bề mặt của chi tiết gia công. Tuy
nhiên các máy công cụ vạn năng truyền thống khó có
thể đáp ứng được nhu cầu này. Xuất phát từ thực tế đó,
các máy cơng cụ CNC đã được đưa vào ứng dụng để
tạo ra những chi tiết có chất lượng sản phẩm cao phù

hợp với nhu cầu của xã hội.
Phay trên Máy CNC là một trong những nguyên
công được ứng dụng rộng rải để gia công các chi tiết
có hình dáng phức tạp, phay thơ là ngun cơng để
chuận bị phôi cho phay tinh. Nếu chất lượng phôi
không tốt có thể gây hỏng dụng cụ cắt hoặc tạo ra sản
phẩm chất lượng thấp. Ngược lại nếu chất lượng phơi
tốt có thể kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt và nâng cao
chất lượng của chi tiết gia công.
Để tăng khả năng bóc tách kim loại trong q
trình gia công thô, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành
cũng như nhiều bài báo đã được xuất bản. Ví dụ như,
B. Lauiwers và P.P. Lefebvre đã phát triển một phương
pháp gia công thô bề mặt phức tạp của khuôn đúc trên
máy 5 trục, phương pháp này dựa trên công nghệ
chuyển đổi, cơng nghệ này thường được biết tới để tính


-3toán sự chuyển đổi giữa các bản đồ điểm ảnh 2D. Dựa
trên đường tiến dao kiểu zigzag hoặc contour, 3 modul
xây dựng mã lệnh NC cho việc gia công thô bề mặt
khắc được giới thiệu bởi Tao và Ting với mục đích đạt
được đường tiến dao hiệu quả nhất trong một khoảng
thời gian gia công nhất định.
Những phương pháp trên rất hiệu quả và một vài
phương pháp đã được áp dụng vào thực tế. Tuy nhiên,
bề mặt tinh hay biên dạng của phần vật liệu dư trong
những nghiên cứu trên không được đưa ra như một yếu
tố quan trọng hoặc bị loại bỏ hẳn. Trên thực tế, hình
dáng và kích thước của phần vật liệu dư có ảnh hưởng

lớn trong một vài ứng dụng. Ví dụ trong gia cơng tốc
độ cao, để đáp ứng yêu cầu là chiều sâu cắt khơng đổi
cần phải có dụng cụ cắt khơng bị gãy trong q trình
gia cơng. Những biên dạng chi tiết khơng đồng đều sẽ
dẫn đến sự biến đổi lực cắt, từ đó có thể gây ra gãy
dụng cụ cắt. Để đạt được bề mặt gia cơng tinh tốt hơn,
địi hỏi phải có thêm lần gia cơng cũng như thêm thời
gian gia cơng. Nếu như gia cơng thơ có thể đem lại
chất lượng bề mặt gia cơng tinh tốt hơn, từ đó có thể
loại bỏ được lần gia cơng bán tinh dẫn đến giảm thời
gian gia công, và giảm giá thành sản phẩm. Tuy nhiên,
cho tới nay, chưa có nghiên cứu nào về việc tăng chất
lượng bề mặt sau gia công thô được tiến hành.


-4Xuất phát từ thực tế đó tác giả đã chọn đề tài
“Nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng gia
công thô trên máy phay CNC” làm đề tài tốt nghiệp.
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ
sung cho cơ sở lý thuyết về nghiên cứu máy CNC và
lập trình gia cơng trên máy.
- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ ứng dụng vào
việc nâng cao chất lượng gia công thô trên máy phay
CNC.
3. Mục đích của đề tài
- Mục đích của đề tài là nghiên cứu một phương
pháp gia công thô bằng cách xem xét đến lượng dư gia

công linh động trong q trình gia cơng. Mục đích của
phương pháp là xây dựng được đường chạy dao tối ưu
để đem lại chất lượng bề mặt gia công thô tốt hơn mà
không làm tăng thời gian gia công khi phay thô trên
máy CNC.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy phay
EMCO Concept Mill 55 sử dụng hệ điều khiển
SINUMERIK.


-5CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM-CNC
1.1. Lịch sử phát triển
Các hệ thống điều khiển CNC
1.2.1. Điều khiển điểm - điểm
1.2.2. Điều khiển đoạn thẳng
1.2.3. Điều khiển đường
1.3. Hệ thống tọa độ và các điểm gốc, điểm chuẩn
1.3.1. Hệ thống tọa độ trên máy CNC
1.3.2. Các điểm gốc và điểm chuẩn
1.4. Ngơn ngữ và hình thức tổ chức lập trình CNC
1.4.1. Chương trình gia cơng theo hệ tọa độ tuyệt đối
1.4.2. Chương trình gia cơng theo hệ tọa độ tương đối
1.4.3. Chương trình theo hệ tọa độ hỗn hợp
1.4.4. Chương trình theo hệ tọa độ độc cực
1.4.5. Các hình thức tổ chức lập trình gia cơng CNC


-6-

CHƯƠNG II
PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
GIA CÔNG THÔ
2.1 . Lượng dư gia cơng và vết dao trong q trình
gia cơng thơ.
2.1.1. Vết dao trong q trình gia cơng thơ.
Vết dao khi phay bằng dao phay đầu cầu trong
phương pháp phay từng lớp được thấy trong hình 2.1.
Chiều cao nhấp nhô h là chiều cao của phần vật liệu
chưa gia công để lại khi thay đổi đường chạy dao. Đây
là một thông số quan trọng khi đo đạc chất lượng bề
mặt sau gia công thô. Chiều cao nhấp nhô càng cao thì
chất lượng bề mặt chi tiết sau gia cơng thơ càng thấp.
Phần nhấp nhơ có thể làm nhỏ hơn bằng cách giảm
bước tiến ngang g (khoảng cách giữa 2 lần thay đổi
bước tiến dao). Bằng cách giảm bước tiến ngang, chiều
cao nhấp nhô sẽ giảm dẫn đến tăng chất lượng bề mặt
sau gia công thô. Tuy nhiên, nhược điểm lớn ở đây là
khi giảm bước tiến ngang đường chạy dao sẽ tăng dẫn
đến tăng thời gian gia cơng. Đó chính là lí do tại sao
khi gia cơng thơ, người ta thường chọn bước tiến
ngang lớn và dẫn đến việc chất lượng bề mặt sau gia
công thô kém.


-7-

Hình 2.1: Chiều cao nhấp nhơ h và bước tiến dao ngang g

2.1.2. Chiều cao nhấp nhơ

2.1.3. Vai trị của chất lượng bề mặt chi tiết sau khi
gia công thô.
Phương pháp tiến dao theo chiều cao nhấp nhô
không thay đổi đã được phát triển và ứng dụng vào gia
công tinh. Lợi thế của phương pháp này là nó ln
ln bám sát vào bề mặt tinh của chi tiết. Khi cắt bề
mặt 3D phức tạp, khả năng tính tốn đường chạy dao
dựa vào chiều cao nhấp nhô so với bước tiến dao đặt
trước đã xuất hiện trong nhiều phần mềm CAM, nhưng
thật đáng tiếc là trong q trình gia cơng thơ, khả năng
này không được đề cập tới hoặc được coi là một yếu tố
ảnh hưởng khơng quan trọng, chỉ có khả năng bóc tách
vật liệu được đề cập đến trong q trình gia cơng thơ.
Trong thực tế, bước gia cơng thơ tốc độ cao đóng vai
trị quan trọng hơn so với khi gia công thô thông
thường. Bước gia công thô tốc độ cao phải để lại một
lượng dư đều nhau hơn cho gia công bán tinh và gia


-8công tinh so với khi gia công thông thường. Điều này
rất quan trọng vì nó sẽ giữ cho tốc độ bóc tách phoi
khơng đổi trong q trình gia cơng tốc độ cao. Điều
này sẽ giữ cho lực cắt ít thay đổi, do đó sẽ ít xảy ra
những lát cắt bất thường.

Hình 2.2:Gia cơng tinh bề mặt cong.
Để tăng độ chính xác cho bề mặt sau khi gia công,
phương pháp trực tiếp là làm giảm bước tiến ngang g.
Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, bước tiến ngang nhỏ
sẽ làm tăng thời gian gia công dẫn đến giảm năng suất.

Nếu như có một phương pháp mà làm tăng chất lượng
bề mặt sau gia công thô mà không làm tăng thời gian
gia cơng, phương pháp đó sẽ rất hữu ích trong gia công
cắt gọt.
2.2. Lý thuyết về lượng dư gia công linh động.
Lượng dư gia công linh động là một trạng thái tức
thời của mẫu được lập ra trong quá trình gia công hiện


-9tại hoặc trong một khoảng thời gian riêng biệt. Nó thể
hiện lớp phôi sau khi dụng cụ cắt đi qua tại một thời
điểm nhất định. Ví dụ, trong q trình cắt mơ phỏng,
lượng phơi trong q trình gia cơng hay lượng dư gia
cơng cịn lại là cái được hiện ra sau q trình gia cơng
thơ. Chi tiết lúc này khơng phải là sản phẩm cuối cùng,
nó chỉ là bước chuyển tiếp cho q trình gia cơng bán
tinh tiếp theo.
Điều này rất quan trọng cho thuật toán xây dựng
đường chạy dao để hiểu được những gì thay đổi trên
cấu trúc bề mặt xảy ra giữa những đường chạy dao. Lý
thuyết về lượng dư gia công linh động cho phép tạo ra
những đường chạy dao trong khu vực phôi mà đường
dụng cụ trước chưa cắt hết. Quỹ đạo của đường chạy
dao cho phương pháp gia cơng tiếp theo có thể được
tối ưu dựa trên dựa trên kiến thức về lượng dư còn lại
của lần gia cơng trước đó.
2.3 .Thiết lập đường dẫn dao cho phương pháp
nghiên cứu.
Dựa trên lý thuyết về lượng dư gia cơng linh
động vừa trình bày ở trên. Ta có thể thiết lập được

đường dẫn dao mới cho quá trình gia cơng thơ với
những điều kiện sau:
−

Phương pháp gia công chi tiết là cắt theo
từng lớp từng lớp.


-10−
−
−

Tổng số lớp cắt là N.
Lớp cắt đang xét đến là n.
Chiều sâu cắt của mỗi lớp là t.

Trong thực tế, dao phay đầu cầu thường dùng để
gia công các bề mặt cong, tuy nhiên để đơn giản hóa ta
lần lượt xét các bề mặt gia công là mặt phẳng, từ đó
làm cơ sở cho việc tính tốn gia cơng các mặt cong
lỏm và mặt cong lồi.
2.3.1 Bề mặt gia cơng là mặt phẳng
Trong hình 2.3, đường dẫn dao của lớp cắt sau n
thường giống đường dẫn dao của lớp cắt trước đó n-1
về tọa độ x, y chỉ khác nhau về tọa độ z (do thay đổi
chiều sâu cắt). Để đạt được bề mặt chi tiết sau gia công
tốt hơn, vị trí dao ở lớp cắt n nên được chạy theo quy
đạo của chiều cao nhấp nhô do lớp thứ n-1 để lại cùng
với chiều sâu cắt t.
Trong hình 2.4, đường cong nét đứt cho thấy mẫu

thu được sau quá trình cắt lớp n-1. Đường cong nét
liền là vết dao cắt khi cắt lớp thứ n. Các đỉnh nhấp nhơ
được đặt từ P1, P2, …, đến Pm.
Vị trí dao cắt ở lớp thứ n được đặt dưới đỉnh nhấp
nhô (tạo bởi lớp cắt n-1) một khoảng bằng chiều sâu
cắt t. Là các điểm P1’, P2’, …, Pm’.


-11Giả sử gia công với bước tiến ngang lớn nhất,
(100% bán kính dao), khi đó chiều cao nhấp nhơ (ở lớp
thứ n-1) h bằng đúng bán kính cắt r của dao,

Lượng tiến dao ngang

Chi tiết

Đường dẫn dao thứ
Đường dẫn thứ nhất nhất
Đường dẫn thứ hai

Lượng dư cịn lại

Chiều sâu cắt
Hình 2.3: Đường dẫn dao ở các lớp cắt khác nhau

t

Hình 2.4: Chiều cao nhấp nhơ và bước tiến dao ngang.

Có thể tính tốn được mối quan hệ giữa chiều cao

nhấp nhô h và chiều sâu cắt t như sau.

Bước

Bước


-12-

Hình 2.5: Chiều cao nhấp nhơ, chiều
sâu cắt và bước tiến ngang.
Giả sử O1 và O2’ lần lượt là hai tâm của dụng cụ cắt
trong hai trường hợp.
Trong ∆O1O2O2’, góc O1O2O2’ = 90o.
O1O2’ =

2

'
O1O2 + O2 O2

Góc O2’O1O2 = sin-1(O2O2’/O1O2’) = sin1(O2O2’/
2

2
'
O1O2 + O2O2 )

Trong ∆O1BO2’, O1B = O2’B = r.
Góc O1BO2’/2 = sin-1((O1O2’/2)/O1B)

2

'
= sin-1( O1O2 2 + O2O2 /2r).

Góc B1O1O2’ = (180o –

  
)/2
O1BO2 '
2

'
= 90o - sin-1( O1O2 2 + O2O2 /2r).

2


-13Góc AO1B = 90o -

  
   
BO1O 2 ' O 2 ' O1O 2

=

2

'
'

sin-1( O1O2 2 + O2O2 /2r)- sin-1(O2O2’/ O1O2 2 + O2O2

2

)
Trong ∆O1AB,
O1A = O1B cos
AC



= r cos
AO1B
AO1B

= r – O1A = r – r cos


AO1B
2

'
= r – r cos (sin-1( O1O2 2 + O2 O2 /2r)
2

'
- sin-1(O2O2’/ O1O2 2 + O2O2 ))

Trong hình 2.5,

O2O2’ = t
O1O2 = r
Chiều cao nhấp nhô
h = DE + EF = AC + EF
= r – r cos (sin-1( r 2 + t 2 /2r) - sin-1(t/ r 2 + t 2 )) + t
Có thể dễ dàng nhận thấy rằng chiều cao nhấp nhô
h này sẽ nhỏ hơn chiều cao nhấp nhô trong phương
pháp gia công thông thường (bằng r).
2.3.2. Bề mặt gia công là mặt cong lỏm


-14-

Lượng tiến dao ngang

Chi tiết

Hình 2.6. Đường dẫn dao khi gia công bề mặt cong lỏm
bằng phương pháp thông thường

Bước n
Bước n -1

Chi tiết
Bước n +1
Hình 2.7. Đường dẫn dao khi gia công bề mặt cong lảm theo
Phương pháp nghiên cứu


-15-

Hình 2.8. Lượng dư cịn lại khi gia cơng bề mặt cong làm
theo Phương pháp nghiên cứu

Có thể tính tốn được mối quan hệ giữa chiều cao
nhấp nhô h và chiều sâu cắt t như sau.
Giả sử bán kính cong cần gia cơng là R, tâm O.
Bán kính dao là r
Chiều cao nhấp nhô = DE + EF = EF + AC
h = DE + EF = AC + EF = (R-r) - ((R-t)-r)Cos (sin -1
(2r/((R-t) – r))) + r – r cos (sin-1( r 2 + t 2 /2r) - sin-1(t/
r 2 + t 2 ))
= (R- ((R-t)-r)Cos (sin-1 (2r/((R-t) – r))) - r cos (sin -1(
-1
r 2 + t 2 /2r) - sin (t/ r 2 + t 2 ))


-162.3.3. Bề mặt gia công là mặt cong lồi
Lượng tiến dao ngang

Chi tiết
Hình 2.9. Đường dẫn dao dao khi gia công bề mặt cong lồi
theo phương pháp thông thường

Lượng tiến dao ngang

Bước n-1
Bước n

Hình 2.10. Đường dẫn dao dao khi gia công bề mặt cong lồi

theo phương pháp nghiên cứu


-17Có thể tính tốn được mối quan hệ giữa chiều cao
nhấp nhơ h và chiều sâu cắt t như sau.

Hình 2.11. Lượng dư cịn lại khi gia cơng bề mặt cong
lõm theo pp nghiên cứu

Chiều cao nhấp nhô = DE + EF = EF + AC
Chiều cao nhấp nhô:
h = DE + EF = AC + EF = ((R+t)+r)Cos (sin -1 (2r/
((R+t)+r))) - (R+r) + r – r cos (sin -1( r 2 + t 2 /2r) sin-1(t/ r 2 + t 2 ))
= ((R+t)+r)Cos (sin-1 (2r/((R+t)+r))) - R– r cos
(sin-1( r 2 + t 2 /2r) - sin-1(t/ r 2 + t 2 ))
Tóm lại, với đường dẫn dao kiểu mới, quỹ đạo dao
ở lớp thứ 2 sẽ cắt tại đỉnh nhấp nhô của lớp thứ nhất,
quỹ đạo dao ở lớp thứ 3 sẽ cắt tại đỉnh nhấp nhô của


-18lớp thứ 2 …. Cứ như vậy cho đến hết chiều sâu cần
cắt.

Chương III
CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
3.1 Giới thiệu thiết bị thí nghiệm
Máy phay PC MILL 55
Hệ điều khiển SINUMERIK trên máy phay PC
MILL 55
3.2 Các kết quả

3.2.1
-

-

Gia công bề mặt phẳng.
Phơi gia cơng là phơi nhơm có kích thước
50x50x15 như ở hình 3.1.

Hình 3.1: Mẫu phơi thí nghiệm.
Chế độ cắt sử dụng trong thí nghiệm.
o Tốc độ trục chính, S = 2500 vịng/phút.
o Lượng tiến dao gia cơng, F = 250
mm/phút.


-19o Chiều sâu cắt của mỗi lớp cắt, d = 1
mm.
o Chiều sâu tổng cộng khi gia công cắt
thử, Σd = 2mm.
o Bước tiến dao ngang g = 100% = 6 mm.
o Chế độ gia công khô
3.2.1.1

Gia công bề mặt phẳng theo phương
pháp thơng thường.

Mẫu gia cơng

Hình 3.2: Đường chạy dao theo phương pháp thông

thường


-20Hình 3.3: Mẫu gia cơng thơ thu được với
chế độ cắt trên.
3.2.1.2

Gia cơng bề mặt phẳng theo phương
pháp nghiên cứu.

Phơi
Hình 3.4: Đường chạy dao theo phương pháp mới

Hình 3.5: Chi tiết đã gia công xong bằng phương pháp
nghiên cứu.
3.2.1.3

So sánh 2 mẫu cắt được.


-21-

-

3.2.2

Hình 3.6: Hai mẫu gia cơng .
Dễ dàng nhận thấy trên hình chụp cũng như
trên các hình 3.69 và 3.73, chiều cao nhấp nhô
của chi tiết sau gia công thô bằng phương pháp

mới là h2 giảm đáng kể so với khi gia công theo
phương pháp thông thường là h1. Điều này có ý
nghĩa rất lớn đối với bước gia cơng tiếp theo.
Thời gian gia công của 2 lần cắt đều xấp xỉ 2
phút 15 giây. Như vậy khi gia công bằng
phương pháp nghiên cứu, thời gian cắt gọt
không tăng.
Gia công bề mặt cong.

Thí nghiệm được tiến hành trên phơi nhựa và phơi
nhơm có hình dáng như hình 3.7

Hình 3.7: Phơi gia công bề mặt cong.
Chế độ cắt sử dụng trong thí nghiệm.
o Tốc độ trục chính, S = 2500 vịng/phút.
o Lượng tiến dao gia công, F = 250 mm/phút.
o Chiều sâu cắt của mỗi lớp cắt, d = 1 mm.
o Chiều sâu tổng cộng khi gia công cắt thử, Σd =
3 mm.


-22o Bước tiến dao ngang g = 100% = 6 mm.
o Chế độ gia công khô
3.2.2.1

Gia công bề mặt cong theo phương pháp
thơng thường.

Hình 3.8: Đường chạy dao theo phương pháp thơng
thường

Hình 3.9: Kết quả cắt thử theo phương pháp thông
thường trên phôi nhựa và phôi nhôm


-233.2.2.2

Gia cơng bề mặt cong theo phương pháp
nghiên cứu.

Hình3.10: Đường chạy dao theo phương pháp mới

Hình3.11: Kết quả cắt thử theo phương pháp mới trên
phôi nhựa và phôi nhôm
3.2.2.3

So sánh 2 mẫu gia cơng.

Hình 3.12: Hai mẫu gia cơng với phôi nhôm


-24-

Hình 3.13: Hai mẫu gia cơng với phơi nhựa
-

Dễ dàng nhận thấy trên hình chụp chiều cao
nhấp nhơ của chi tiết sau gia công thô bằng
phương pháp mới giảm đáng kể so với khi gia
công theo phương pháp thông thường. Điều này

có ý nghĩa rất lớn đối với bước gia công tiếp
theo.

-

Thời gian gia công của 2 lần cắt đều xấp xỉ 4
phút 30 giây. Như vậy khi gia công bằng
phương pháp nghiên cứu, thời gian cắt gọt
không tăng.

KẾT LUẬN
-

Với đường dẫn dao mới, chất lượng bề mặt sau
khi gia công thô tốt hơn phương pháp gia công
thông thường.
Thời gian gia công theo hai phương pháp tương
đương nhau


-25TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. B. Lauiwers, P.P. Lefebvre. Five-axis rough milling
strategies for complex shaped cavities based on
morphing technology. Annals of CIRP, Vol. 55(1),
p.59 -62, 2006.
2. Emco Maier, Machine description, Concept Mill 55
3. Emco Maier, Control description, Sinumerik
810/840D
4. S. Tao and K.-L. Ting, Unified rough cutting tool
path generation for sculptured surface machining.

International Journal of Production Research,
Vol.39(13) p.2973-2989, 2001.
5. Trần Văn Địch (2007), Công nghệ CNC, Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.