Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hoàng Văn Quý

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN DỤNG CỤ VÀ ĐƯỜNG DỤNG CỤ
TRONG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO
TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi d ưới s ự
hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài li ệu tham kh ảo
trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là
trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố.
Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS. TS. Bùi Ngọc Tuyên

Hoàng Văn Quý

ii


LỜI CẢM ƠN
Luận án đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS. TS. Bùi
Ngọc Tuyên. Tôi xin được chuyển tới thầy sự kính trọng, lòng biết ơn sâu sắc
bởi sự định hướng, chỉ bảo, động viên, và những kiến thức quý báu của thầy
trong lĩnh vực mà tôi đã nghiên cứu.
Tôi xin được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới tập thể giảng viên bộ môn Gia
công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp đã có những chia sẻ quý báu v ề ki ến
thức, về phương pháp nghiên cứu và những lời động viên tới NCS trong suốt
tiến trình nghiên cứu đề tài.
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tôi luôn luôn nhận được s ự giúp
đỡ tận tình của các thầy cô trong Viện Cơ khí và Phòng Đào t ạo. Tôi xin đ ược
gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy các cô trong Viện C ơ khí đã tận tình
giúp đỡ để tôi hoàn thành quá trình học tập nghiên cứu của mình.
Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại học Hải
Phòng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình th ực hi ện
đề tài nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi xin được gửi lời biết ơn tới gia đình, người thân đã luôn bên
cạnh trong suốt toàn bộ thời gian thực hiện nghiên cứu.
Hài nội, ngày 22 tháng 07 năm 2019
Nghiên cứu sinh

Hoàng Văn Quý

iii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................................................
Danh mục các ký hiệu ...................................................................................................................
Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .........................................................................................
MỞ ĐẦU

.........................................................

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO.......................................................
1.1.
Mặt tự do và ứng dụng của
1.1.1.
Giới thiệu ..................................
1.1.2.
Lịch sử phát triển...................
1.1.3.
Ứng dụng đường, mặt tự d
1.1.3.1. Ứng dụng đường, mặt tự do trong thiết kế ...........................................................
1.1.3.2. Ứng dụng đường, mặt tự do trong gia công .........................................................
1.2.
Quá trình gia công tạo hình
1.3.
Dụng cụ và đường dụng cụ
1.3.1.
Kiểu dụng cụ sử dụng tron
1.3.1.1.
Dao phay ngón đầu phẳng

1.3.1.2.
Dao phay ngón đầu cầu ....
1.3.1.3.
Dao phay ngón đầu phẳng
1.3.1.4.
Dao phay ngón thân côn ....
1.3.2.
Đường dụng cụ khi gia côn
1.3.2.1.
Khái niệm ................................
1.3.2.2.
Các kiểu đường dụng cụ c
1.3.2.3.
Các thông số cơ bản của đ
1.4.
Phương pháp tính toán sin
1.4.1.
Phương pháp sinh đường
Based) [29] ........................................................................................................................................
1.4.2.
Phương pháp sinh đường
(CL-Based) [29] ...............................................................................................................................
1.5.
Tổng quan tình hình nghiê
CNC
27
1.5.1.
Tổng quan tình hình nghiê
1.5.2.
Tổng quan tình hình nghiê

1.6.
Đánh giá tình hình nghiên
xuất hướng nghiên cứu của luận án .......................................................................................
1.7.
Kết luận ....................................
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TỰ DO TRONG CÁC
HỆ THỐNG CAD/CAM...................................................................................................................
2.1. Biểu diễn đường tự do trong hệ thống CAD/CAM ..................................................
iv


2.1.1. Các phương pháp biểu diễn toán cơ bản của đường tổng quát ....................
2.1.2. Biểu diễn đường cong Bezier........................................................................................
2.1.3. Biểu diễn đường cong B-spline ....................................................................................
2.2. Biểu diễn mặt tự do trong hệ thống CAD/CAM ........................................................
2.2.1. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình đa thức dạng tham số ...
2.2.1.1. Mô hình toán biểu diễn mảnh mặt Ferguson .....................................................
2.2.1.2. Mô hình mảnh mặt Bezier ..........................................................................................
2.2.2. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình nội suy ranh giới mảnh
mặt
.....................................................................................................................................
2.2.2.1. Biểu diễn mặt tự do bằng mô hình mặt kẻ ..........................................................
2.2.2.2. Biểu diễn mặt tự do bằng mô hình mặt Coon ....................................................
2.2.3. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình mảnh quét .........................
2.2.3.1. Mảnh mặt trượt tịnh tiến ............................................................................................
2.2.3.2. Mảnh mặt quay ................................................................................................................
2.2.4. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng tứ giác ....................................................
2.2.5. Mảnh mặt B - spline ..........................................................................................................
2.2.6. Mặt NURBS ............................................................................................................................
2.2.6.1. Biểu diễn toán học bề mặt NURBS ..........................................................................

2.3.6.2. Đạo hàm của mặt NURBS ............................................................................................
2.2.7. Công cụ mô phỏng một số mặt cơ bản sang dạng mặt tự do ..........................
2.3.8. Cấu trúc tệp (file) biểu diễn mặt theo định dạng IGES trong CAD/CAM ...
2.2.8.1. Cấu trúc của file IGES ....................................................................................................
2.2.8.2. Biểu diễn một số đối tượng theo định dạng file IGES ...................................
2.3. Kết luận ......................................................................................................................................

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN DỤNG CỤ TRONG GIA
CÔNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC ...........................
3.1.
Giới thiệu ....................................................................................................
3.2.
Ảnh hưởng của dụng cụ khi tạo hình bề mặt trên máy pha
62
3.3.
Xây dựng phương án lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý để gia c
mặt tự do ............................................................................................................................................
3.3.1. Phân vùng mặt tự do .................................................................................................
3.3.2. Lựa chọn dụng cụ hợp lý tương ứng với từng phân vùng ........................
3.3.3. Xác định ranh giới tương ứng với mỗi phân vùng cục bộ ........................
3.3.4. Thí nghiệm đánh giá kết quả.........................................................................................
3.4.
Đề xuất phương án gia công với bề mặt đã phân vùng: ......
3.4. Kết luận ......................................................................................................................................
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG
GIA CÔNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC. ..................
4.1. Xây dựng thực nghiệm Taguchi đánh giá ảnh hưởng của đường dụng cụ
tới
chất lượng tạo hình bề mặt tự do

v


4.1. 1. Phương pháp Taguchi................................................................................................... 96
4.1.2. Xây dựng thực nghiệm.................................................................................................. 97
4.1.2.1. Điều kiện thực nghiệm............................................................................................. 97
4.1.2.2. Lựa chọn thông số đầu vào và xây dựng mảng trực giao Taguchi..........99
4.2. Đề xuất phương án xác định đường dụng cụ......................................................103
4.2.1. Điều kiện biên...............................................................................................................104
4.2.2. Tính toán thông số đường dụng cụ......................................................................104
4.2.2.1. Tính toán bước tiến ngang (St).(Bổ đề 1).....................................................105
4.2.2.2. Xác định đường dẫn hợp lý đảm bảo Sc ≤ [Sc] (Bổ đề 2).......................108
4.2.3. Tính toán sai số xấp xỉ...............................................................................................112
4.3. Mô phỏng và thực nghiệm đánh giá kết quả.......................................................114
4.4. Kết luận...............................................................................................................................117
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................................................118
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................120
PHỤ LỤC...................................................................................................................................... 127

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
STT

Ký h
1
2

3
4
5

C(
Bi,
Ri,

6
7
8
9
10

P

11
12
13
14

W
i

15

S

16
17

18
19
20
21
22
23
24
25

u
v

26
27
28

m


29
30

µ
S(u
vii


31
32

T

33
34

T
S

35

T

36
37
38
39

T

Danh mục các chữ viết tắt
STT

Viết tắt

1

CAD

2

CAM

3

CAGD

4

CIM


viii


6

CAE

7

CAPP

8

NC

9

CNC

10

NURBS

11

B-spline

12

2D

13

3D

14

5D

15
16

CC point
CL point

17

CC path

18

CL path

19

DP
DPi,

20

i=1,..8


ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Các đường dụng cụ cơ bản......................................................................18
Bảng 1. 2. Thuật ngữ cơ bản của đường dụng cụ trong gia công CNC.............19
Bảng 1. 3. Mười dạng vùng bề mặt cục bộ của bề mặt tự do trơn liên tục....29
Bảng 2. 1. Bảng cấu trúc dữ liệu file IGES...............................................................55
Bảng 2. 2. Bảng thống kê nhãn biểu diễn dữ liệu trong IGES............................ 57
Bảng 3. 1. Bảng điểm điều khiển và trọng số mặt tự do mẫu thí nghiệm.....80
Bảng 3. 2. Bảng tính chất vật lý của nhựa PA.........................................................81
Bảng 3. 3. Bảng thông số dụng cụ.............................................................................82
Bảng 3. 4. Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVANEX 9106....................................82
Bảng 3. 5. Bảng thông số cao độ z các điểm trên bề mặt mẫu thiết kế..........84
Bảng 3. 6. Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 1..................84
Bảng 3. 7. Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 2.................84

Bảng 3. 8. Chương trình gia công...............................................................................88
Bảng 3. 9. Bảng tổng hợp thời gian gia công và chiều dài đường dụng cụ......89
x


Bảng 3. 10. Bảng tông hợp kết quả đánh giá..........................................................90
Bảng 3. 11. Bảng so sánh phương pháp gia công với bề mặt được phân vùng .91

Bảng 3. 12. Bảng thống kê gia công mẫu theo ba phương án.............................91
Bảng 4. 1. Bảng thông số dụng cụ.............................................................................98
Bảng 4. 2. Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVA NEX9016....................................98
Bảng 4. 3. Bảng tọa độ điểm thiết kế mặt phôi.................................................... 99
Bảng 4. 4. Bảng thông số F, S, T...............................................................................101
Bảng 4. 5. Mảng trực giao Taguchi L9 (3^3).........................................................101
Bảng 4. 6. Kết quả đo tại các vị trí xác định trên bề mặt mẫu.........................102
Bảng 4 . 7. Phân tích ANOVA các thông số ảnh hưởng tới tạo hình bề mặt..103
Bảng 4. 8. Điểm điều khiển mảnh mặt lõm.........................................................112

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Hiệu chỉnh đường tròn.................................................................................7
Hình 1. 2. Thiết kế có sử dụng đường tự do NURBS................................................7
Hình 1. 3. Hiệu chỉnh mặt trụ thường và mặt trụ biểu diễn dạng tự do...........8
Hình 1. 4. Ứng dụng NURBS trong thiết kế............................................................... 9
Hình 1. 5. Mô tả nội suy tuyến tính và cung trên hệ máy CNC...............................9
Hình 1. 6. Nội suy NURBS trên các hệ CNC.............................................................. 10
Hình 1. 7. Nội suy tuyến tính và nội suy NURBS khi gia công mặt tự do..........11
Hình 1. 8. Một ứng dụng mặt tự do trong khuôn................................................... 12

Hình 1. 9. Khảo sát thời gian gia công thô, tinh, đánh bóng khi gia công khuôn
12
Hình 1. 10. Mô hình hình học dao phay ngón tổng quát....................................... 14
Hình 1. 11. Các dạng dao phay ngón cơ bản............................................................14
Hình 1. 12. Dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do..................................................... 15
Hình 1. 13. Sự khác biệt giữa vùng lồi, vùng lõm và vùng phẳng khi gia công ..16

Hình 1. 14. Đường cắt và cắt lẹm..............................................................................17
Hình 1. 15. Gia công mặt tự do trên máy 5 trục......................................................17
Hình 1. 16. Đường dụng cụ..........................................................................................18
Hình 1. 17. Một số thuật ngữ về đường dụng cụ khi gia công trên máy phay
CNC.................................................................................................................................................... 20
Hình 1. 18. Một số kiểu đường dụng cụ cơ bản trong Catia V5R20..................23
Hình 1. 19. Các thông số quan trọng khi gia công mặt tự do...............................25
xii


Hình 1. 20. Chiều cao nhấp nhô để lại sau khi gia công tinh bằng dao phay
đầu
cầu..................................................................................................................................................... 25
Hình 1. 21. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm tiếp xúc (CCpoint)................................................................................................................................................ 26
Hình 1. 22. Sai số hình học khi gia công mặt...........................................................30
Hình 1. 23. Phân cụm với 2 đường dẫn xoắn ốc [51]........................................... 31
Hình 1. 24. Sơ đồ khối tiến trình nghiên cứu..........................................................33
Hình 2. 1. Sơ đồ khối nội dung chương 2.................................................................35
Hình 2. 2. Mô hình toán đường cong Bezier.............................................................36
Hình 2. 3. Sơ đồ tính toán điểm của đường cong Bezier bậc 3...........................36
Hình 2. 4. Sơ đồ tính điểm điều khiển của đường Bezier tổng quát.................37
Hình 2. 5. Thuật toán xây dựng công cụ thiết kế, hiệu chỉnh đường Bezier bậc
n

37
Hình 2. 6. Công cụ xây dựng đường cong Bezier.....................................................38
Hình 2. 7. Biểu diễn đường đường cong Bezier..................................................... 39
Hình 2. 8. Kết quả thiết kế đường Bezier bậc 3 trên AutoCAD, Catia và Công
cụ
xây dựng đường Bezier bậc n................................................................................................ 40
Hình 2. 9. Các mặt cơ bản............................................................................................43
Hình 2. 10. Sự linh hoạt trong hiệu chỉnh của mặt tự do so với các mặt cơ bản
44
Hình 2. 11. Mô hình mặt mặt Ferguson....................................................................45
Hình 2. 12 Mảnh mặt Bezier bậc 4............................................................................45
Hình 2. 13 a) Mô hình mặt kẻ b) Nội suy Taylor tuyến tính................................46
Hình 2. 14. Cấu trúc mảnh mặt Coons......................................................................47
Hình 2. 15. Mặt mặt trượt...........................................................................................47
Hình 2. 16. Mảnh mặt quay.........................................................................................48
Hình 2. 17. Mảnh mặt tứ giác......................................................................................48
Hình 2. 18. Mảnh mặt B-spline...................................................................................49
Hình 2. 19. Sơ đồ thuật toán xây dựng công cụ thiết kế và hiệu chỉnh mặt tự
do
52


Hình 2. 20. Menu tùy chọn mặt..................................................................................53
xiii


Hình 2. 21. Biểu diễn mặt tự do.................................................................................53
Hình 2. 22. Sơ đồ thuật toán công cụ mô hình hóa file định dạng IGES............59
Hình 2. 23. Giao diện công cụ mô hình hóa file định dạng IGES.........................60
Hình 2. 24. Hiển thị mặt tự do từ file cấu trúc IGES..............................................60

Hình 3. 1. Các kiểu máy phay CNC thông dụng....................................................... 63
Hình 3. 2. Hướng dụng cụ khi gia công trên máy CNC 3 và 5 trục......................63
Hình 3. 3. Dụng cụ cắt có thể nghiêng để tránh cắt lẹm......................................64
Hình 3. 4. Bán kính hiệu dụng của dụng cụ cắt..................................................... 64
Hình 3. 5. Quan hệ giữa góc nghiêng với bán kính hiệu dụng.............................64
Hình 3. 6. Dụng cụ cắt có bán kính nhỏ không gây cắt lẹm.................................65
Hình 3. 7. Lựa chọn dụng cụ tương ứng với độ cong bề mặt............................. 65
Hình 3. 8. Sơ đồ lựa chọn dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do........................... 66
Hình 3. 9. Sơ đồ khối lựa chọn dụng cụ phù hợp bề mặt.................................... 67
Hình 3. 10. Biểu diễn bề mặt tự do...........................................................................67
Hình 3. 11. Phương và chiều véc tơ pháp tuyến của mặt.................................... 67
Hình 3. 12. Độ cong Gauss và độ cong trung bình..................................................69
Hình 3. 13. Mặt tự do được phân vùng.....................................................................69
Hình 3. 14. Thuật toán phân vùng bề mặt tự do....................................................70
Hình 3. 15. Sơ đồ phân vùng bề mặt thành mảnh mặt dựa theo H và K..........71
Hình 3. 16. Thuật toán lựa chọn dụng cụ hợp lý....................................................72
Hình 3. 17. Mặt tự do có phân chia thành các mảnh cục bộ................................73
Hình 3. 18. Chuyển điểm 3D (x,y,z) sang không gian tham số 2D (u,v)............74
Hình 3. 19. Ánh xạ điểm 3D sang 2D để xác định đường ranh giới...................74
Hình 3. 20. Ví dụ về cấu trúc tập dữ liệu điểm DP, DP1, DP2, DP3......................75
Hình 3. 21. Cấu trúc của các tập dữ liệu điểm.......................................................75
Hình 3. 22. Quy tắc 4 và 8 điểm lân cận...................................................................76
Hình 3. 23. Đường ranh giới của mảng.....................................................................76
Hình 3. 24. Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 4 điểm................77
Hình 3. 25. Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 8 điểm................77
xiv


Hình 3. 26. Thuật toán tạo đường ranh giới mảnh mặt.......................................78
Hình 3. 27. Các hàm sử dụng xác định kích thước dụng cụ hợp lý.....................79

Hình 3. 28. Macro trên Excel kết nối với Catia V5R20 để xây dựng đường ranh
giới từ tập điểm biên trích xuất từ IGES........................................................................... 80
Hình 3. 29. Đường ranh giới của vùng bề mặt tự do cục bộ............................... 80
Hình 3. 30. Bản vẽ thiết kế phôi................................................................................81
Hình 3. 31. Máy phay CNC Hamai 3VA.......................................................................81
Hình 3. 32. Dụng cụ cắt................................................................................................82
Hình 3. 33. Mô phỏng quá trình gia công..................................................................83
Hình 3. 34. Gia công mẫu trên máy phay CNC Hamai 3VA....................................83
Hình 3. 35. Thực hiện đo trên máy đo 3 tọa độ SVANEX......................................83
Hình 3. 36.Điểm đo........................................................................................................84
Hình 3. 37. Biểu đồ dữ liệu đo mặt tự do được gia công..................................... 85
Hình 3. 38. Biểu đồ so sánh bề mặt theo 2 phương..............................................87
Hình 3. 39. Đường ranh giới xuất hiện trên bề mặt sau gia công...................... 90
Hình 3. 40. Gia công bề mặt theo cách 3..................................................................92
Hình 4. 1. Sơ đồ khối các nội dung nghiên cứu trong chương 4......................... 95
Hình 4. 2. Sơ đồ khối xây dựng phương án đánh giá mức độ ảnh hưởng của
đường dụng cụ tới độ chính xác tạo hình mặt tự do................................................... 96
Hình 4. 3. Máy phay CNC 3 trục..................................................................................97
Hình 4. 4. Dụng cụ cắt..................................................................................................98
Hình 4. 5. Máy đo 3 tọa độ SVA NEX9016.................................................................98
Hình 4. 6. Thiết kế mẫu thực nghiệm.......................................................................99
Hình 4. 7. Kiểu đường dụng cụ thông dụng khi gia công mặt tự do..................99
Hình 4. 8. Sản phẩm gia công theo thí nghiệm trong mảng L9........................101
Hình 4. 9.Tỉ số S/N......................................................................................................102
Hình 4. 10. Sơ đồ xây dựng phương án xác định dường dụng cụ hơp lý cho bề
mặt tự do cấu trúc lõm..........................................................................................................103
Hình 4. 11. Hướng dụng cụ trong tọa độ Descartes...........................................104
Hình 4. 12. Gia công mặt cong lõm..........................................................................105
xv

Hình 4. 13. Sơ đồ xác định bước tiến hợp lý St....................................................106
Hình 4. 14. Sơ đồ tính toán St...................................................................................107
Hình 4. 15. Sơ đồ tính toán khoảng offset đường dụng cụ hợp lý...................108
Hình 4. 16. Sơ đồ offset đường dẫn được chiếu lên mặt cong S(u,v).............109
Hình 4. 17. Sơ đồ thuật toán sinh đường dụng cụ..............................................111
Hình 4. 18. Mô phỏng sinh đường dụng cụ cho vùng cục bộ lõm....................112
Hình 4. 19. Sơ đồ tính toán sai số xấp xỉ...............................................................112

xvi


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Công nghệ điều khiển số trên máy công cụ (Computer Numerical Control –
viết tắt là CNC) được ra đời từ khoảng những năm 1940 [1] đã đánh d ấu m ột
bước nhảy vọt trong công nghiệp sản xuất. Việc ứng dụng máy CNC không
những mang lại năng suất cao, chất lượng sản phẩm ổn định mà còn giải
phóng được sức lao động của con người. Với việc các ngành khoa học đi ều
khiển, công nghệ thông tin phát triển… các máy CNC càng trở lên mạnh mẽ
hơn, điều đó cũng đồng nghĩa với việc các sản phẩm được chế tạo ra ngày
càng phức tạp và tinh xảo. Do những ưu điểm của các máy CNC khiến cho càng
ngày càng có nhiều nghiên cứu nhằm nâng cấp máy CNC trở lên ngày càng
hoàn thiện. Có hai hướng nghiên cứu chính để cải thiện các máy CNC là h ướng
nghiên cứu cải thiện phần cứng và hướng nghiên cứu cải thiện phần mềm.
Hướng nghiên cứu cải thiện phần cứng để nâng cao năng suất khi gia
công trên máy phay CNC như: Nghiên cứu về kết cấu máy [2], [3]… Nghiên cứu
ảnh hưởng của rung động [4]–[6]… Nghiên cứu về dụng cụ cắt khi gia công
[7], [8]… Nghiên cứu cải thiện các vi mạch đi ều khi ển để cải thi ện kh ả năng
điều khiển của máy CNC… Kết quả của các công trình khoa h ọc cũng nh ư th ực

nghiệm theo hướng này đã đạt được nhiều thành công. Các máy CNC càng
ngày càng có kết cấu hoàn thiện, khả năng công nghệ được nâng cao. Qua đó
năng suất cũng như chất lượng sản phẩm khi gia công trên các máy CNC có
những cải thiện đáng kể góp phần không nhỏ vào sự phát tri ển của ngành
công nghiệp gia công nói chung và gia công trên máy tự động nói riêng.
Hướng nghiên cứu cải thiện phần mềm thường là cải tiến về hệ điều
hành (chứa các bộ nội suy sử dụng cho tính toán các đường dụng c ụ và các
thông số trong quá trình gia công cũng như cải thi ện khả năng giao ti ếp gi ữa
các phần cứng trên máy CNC thông qua các trình đi ều khi ển driver). Các
phương pháp nội suy mà các máy CNC thường sử dụng là nội suy tuyến tính
hoặc nội suy theo cung tròn [9]. Ngày nay xu hướng nghiên cứu tập trung
nhiều vào việc phát triển phần mềm để máy trở lên “thông minh” và “mạnh
mẽ” hơn, Do đó các máy CNC ngày càng có tính linh ho ạt, đáp ứng được nhi ều
yêu cầu gia công phức tạp hơn, đặc biệt là những chi ti ết máy được thi ết kế
có chứa các bề mặt tự do.
Sự phát triển của máy CNC và những ưu điểm của nó kéo theo các lĩnh v ực
phục vụ cho hệ máy này cũng phát tri ển không ngừng đó là CAD (Computer
Aided Design – Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) và CAM (Computer Aided
Manufacturing – Gia công có sự hỗ trợ của máy tính). CAD hỗ tr ợ khâu thi ết k ế
trở lên nhanh, dễ dàng và chính xác hơn, CAM hỗ tr ợ khâu gia công, gi ải phóng
con người khỏi các tính toán với khối lượng phép tính lớn và phức tạp h ơn b ởi
các công thức nội suy tích hợp. Do vậy, lúc này năng suất cũng nh ư độ chính
xác khi chế tạo các sản phẩm có ứng dụng CAD/CAM/CNC không còn phụ
thuộc hoàn toàn vào máy CNC nữa mà còn phụ thuộc cả vào các yếu tố khác
nằm trong khâu thiết kế (có sử dụng CAD) và nằm trong khâu gia công (có s ử
dụng
1


CAM). Hiện nay việc khai thác sử dụng các máy CNC cũng nh ư các phần m ềm

CAD/CAM còn chưa hiệu quả, đặc biệt tại Việt Nam chủ yếu dựa trên các kinh
nghiệm và các hướng dẫn sử dụng máy, dụng cụ của các hãng sản xuất.
Ví dụ việc lựa chọn dụng cụ cắt thế nào là hợp lý, chi ến lược d ẫn dụng c ụ
phù hợp nhất đối với bề mặt, các thông số chế độ cắt lựa chọn thế nào cho
hợp lý… cũng sẽ ảnh hưởng lớn tới năng suất, chất lượng tạo hình các chi ti ết
có chứa bề mặt phức tạp.
Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC trong sản xuất rất phổ
biến không chỉ trên thế giới mà cả ở Việt Nam. Do những ưu đi ểm mà công
nghệ này mang lại nên các nghiên cứu về CAD/CAM/CNC luôn luôn được
nhiều nhà khoa học quan tâm. Hiện nay các nghiên cứu liên quan đến lĩnh v ực
CAD/CAM/CNC ở Việt Nam còn khá hạn chế. Trên thế gi ới cũng có nhi ều
nghiên cứu nhằm cải thiện năng suất, chất lượng sản phẩm khi gia công trên
máy CNC. Tuy nhiên những vấn đề liên quan đến bề mặt cũng ít khi đ ược đ ề
cập trong các nghiên cứu này mà chủ yếu là các nghiên cứu về tính toán đường
dụng cụ hoặc các chế độ cắt. Trong quá trình nghiên cứu, NCS nhận th ấy r ằng
vấn đề lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý khi gia công các chi ti ết có
chứa mặt tự do vừa có tính khoa học và cũng có tính thực ti ễn r ất cao, có ti ềm
năng lớn để áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Được sự đồng ý của giáo viên
hướng dẫn và hội đồng đánh giá đề cương đã được trình bày, NCS đã lựa chọn
đề tài luận án:
“Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý
trong tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục”

2.

Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt tự do
trên máy CNC 3 trục nhằm đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác tạo hình b ề

mặt và giảm thời gian gia công so với phương pháp gia công mặt tự do truy ền
thống.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Luận án nghiên cứu phương pháp lựa chọn kích thước dụng cụ cắt và
đường dụng cụ phù hợp khi gia công bề mặt tự do trơn trên máy CNC 3 tr ục.
Để thực hiện nghiên cứu đối tượng đã đề ra, luận án đã được phân chia thành
các nội dung sau:
- Nghiên cứu về phương pháp biểu diễn toán học đường và mặt tự
do.
- Nghiên cứu phương pháp tách một mặt tự do trơn thành các mảnh
mặt tự do cục bộ dựa trên độ cong Gaussian (K) và độ cong trung bình
(H), Thông qua bước tách mặt tự do trơn thành các mảnh mặt tự do
cục bộ để xây dựng thuật toán và chương trình tính toán kích thước
dụng cụ phù hợp nhất đối với từng phân vùng cục bộ sao cho đảm bảo
độ chính xác tạo hình đối với từng mảnh mặt cục bộ đó và rút ng ắn
thời gian gia
2


công. Qua đó sẽ lựa chọn các dụng cụ phù hợp để gia công một mặt tự
do trơn (là mặt đơn hoặc mặt tự do trơn tập hợp từ một số mảnh
mặt).
- Nghiên cứu xây dựng đường ranh giới của từng mảnh mặt cục bộ
nếu một mặt cong trơn được cấu thành từ nhiều hơn một mảnh mặt
cục bộ (Mục đích của việc xác định đường ranh giới của mảnh mặt cục
bộ để giới hạn vùng dụng cụ thực hiện chiến lược chạy dao).
- Nghiên cứu ảnh hưởng của đường dụng cụ đến độ chính xác tạo
hình bề mặt tự do.
- Đề ra giải pháp sinh đường dụng cụ hợp lý khi gia công vùng bề
mặt tự do cấu trúc lõm.

2.3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau:
- Quá trình gia công mặt tự do được thực hiện trên máy phay CNC 3
trục với dụng cụ cắt không thay đổi hướng trên toàn bộ quỹ đạo di
chuyển trên bề mặt.
- Dụng cụ cắt sử dụng trong gia công là dụng cụ tiêu chuẩn.
- Vật liệu mẫu có độ cứng thấp để việc nghiên cứu tạo hình ít b ị ảnh
hưởng bởi các yếu tố về lực cắt và nhiệt qua đó có thể làm kết qu ả
nghiên cứu bị sai lệch.

3.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với mô
phỏng và thực nghiệm kiểm chứng, đánh giá kết quả. Cụ thể như sau:
- Nghiên cứu các mô hình biểu diễn toán học đường, mặt tự do, các
phép tính và thuật toán liên quan đến mặt tự do ph ục vụ cho đ ối
tượng nghiên cứu trong luận án.
- Xây dựng các chương trình trên Matlab2014b để mô ph ỏng, tính
toán các nội dung liên quan trong luận án. Thi ết kế các m ẫu th ực
nghiệm trên CATIA V5R20, mô phỏng quá trình gia công để ki ểm
chứng phần tính toán lý thuyết.
- Xây dựng các mô hình thực nghiệm gia công trên máy phay CNC 3
trục và đo đạc các thông số trên máy đo 3 tọa độ. Xử lý số liệu và đánh
giá kết quả lý thuyết và mô phỏng đã thực hiện trong luận án.

4.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Ý nghĩa khoa học
- Phân tích được cấu trúc đường tự do, mặt tự do, cấu trúc file IGES
trong biểu diễn đường tự do trong hệ thống CAD/CAM nhằm đưa ra
giải pháp phân chia đường bao giới hạn các vùng bề mặt cục bộ theo
các tiêu chí chọn trước.
- Xây dựng các chương trình máy tính biểu diễn đường tự do, mặt tự
do
- Phân tích được ảnh hưởng của việc lựa chọn dụng cụ và đường
dụng cụ trong gia công các vùng bề mặt tự do.
3


- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc lựa chọn dụng cụ thông qua độ
cong
Gauss và độ cong chính để đề xuất một phương án lựa chọn dụng cụ
căn cứ vào việc tính toán bán kính cong nhỏ nhất theo hai ph ương
chính và xác định đường dụng cụ hợp lý.
- Đề xuất được một phương pháp xác định đường dụng cụ mới cho
bề mặt cong tự do cấu trúc lõm dựa trên độ cong cục bộ của vùng b ề
mặt và chiều cao lượng dư để lại giới hạn.
Ý nghĩa thực tiễn
- Đã áp dụng vào gia công mẫu thử để thấy rõ hiệu quả trong việc
giảm thời gian gia công và đảm bảo được độ chính xác tạo hình bề mặt
tự do.
- Kết quả nghiên cứu là cơ sở để phân tích lựa chọn dụng cụ có kích
thước phù hợp theo từng vùng bề mặt cục bộ.
- Phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý khi gia công các mặt tự
do thông qua việc phân vùng bề mặt trơn thành các vùng bề mặt cục

bộ có
ý nghĩa quan trọng đối với việc nâng cao năng suất và ch ất l ượng tạo
hình sản phẩm có chứa bề mặt tự do khi gia công trên máy CNC 3 tr ục.
Các thuật toán và chương trình máy tính đã được xây dựng đ ể th ực
hiện phương pháp lựa chọn dụng cụ hợp lý khi gia công tạo hình các
bề mặt tự do. Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực ti ễn, đặc
biệt trong công nghiệp chế tạo khuôn mẫu.
- Giải pháp sinh đường dụng cụ để gia công bề mặt tự do cấu trúc
lõm đảm bảo được độ chính xác tạo hình bề mặt theo yêu cầu và nâng
cao năng suất gia công.

5.

Những kết quả đạt được và đóng góp mới của luận án
- Đã hệ thống hóa được các mô hình toán của đường và mặt tự do,
xây dựng các công cụ biểu diễn đường cong, mặt cong, định dạng file
IGES
để hiểu phương pháp xây dựng đường, mặt tự do trên các hệ thống
CAD/CAM thương mại.
- Đã phân tích, đánh giá được các phương pháp gia công mặt tự do,
chỉ ra được những ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp trong
việc
đảm bảo chất lượng bề mặt cũng như năng suất gia công các chi tiết
có chứa mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục.
- Đề xuất phương pháp lựa chọn kích thước dụng cụ hợp lý khi gia
công tạo hình mặt tự do dựa trên giải pháp phân vùng bề mặt, xác định
được ranh giới vùng cục bộ để thực hiện đường dụng cụ hợp lý. Th ực
nghiệm gia công kiểm chứng giải pháp đề xuất so với phương pháp gia
công truyền thống.
- Đã xây dựng mô hình thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của dụng

cụ và đường dụng cụ tới chất lượng tạo hình mặt tự do, từ đó có
phương
án lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý trong gia công các chi
tiết máy có chứa bề mặt tự do.