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 dưới sự
hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham
khảo 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 về kiến
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 sự
giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong Viện Cơ khí và Phòng Đào tạo. Tôi
xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy các cô trong Viện Cơ 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 thực
hiện 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 26 tháng 09 năm 2019
Nghiên cứu sinh

Hoàng Văn Quý

iii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..........................................vii
Danh mục các ký hiệu..................................................................................vii
Danh mục các chữ viết tắt............................................................................ix
DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..........................................................xiii
MỞ ĐẦU........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO.............................7
1.1.
Mặt tự do và ứng dụng của mặt tự do.............................................7
1.1.1. Giới thiệu.........................................................................................7
1.1.2. Lịch sử phát triển.............................................................................7
1.1.3. Ứng dụng đường, mặt tự do...........................................................8
1.1.3.1. Ứng dụng đường, mặt tự do trong thiết kế.......................................8
1.1.3.2. Ứng dụng đường, mặt tự do trong gia công..................................10
1.2.
Quá trình gia công tạo hình bề mặt tự do.....................................13
1.3.
Dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt tự do......................15
1.3.1. Kiểu dụng cụ sử dụng trong gia công mặt tự do...........................15
1.3.1.1. Dao phay ngón đầu phẳng.............................................................17
1.3.1.2. Dao phay ngón đầu cầu.................................................................17
1.3.1.3. Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn.........................................17
1.3.1.4. Dao phay ngón thân côn................................................................18
1.3.2. Đường dụng cụ khi gia công mặt tự do.........................................21
1.3.2.1. Khái niệm........................................................................................21
1.3.2.2. Các kiểu đường dụng cụ cơ bản....................................................21
1.3.2.3. Các thông số cơ bản của đường dụng cụ......................................27
1.4.

Phương pháp tính toán sinh đường dụng cụ................................29
1.4.1. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm tiếp xúc
(CC-Based) [29]...........................................................................................29
1.4.2. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm định vị
dụng cụ (CL-Based) [29].............................................................................30
1.5.
Tổng quan tình hình nghiên cứu gia công mặt tự do trên máy
phay CNC....................................................................................................31
1.5.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước................................31
1.5.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới...............................33

iv


1.6.
Đánh giá tình hình nghiên cứu phương pháp gia công mặt tự
do và đề xuất hướng nghiên cứu của luận án............................................35
1.7.
Kết luận.........................................................................................37
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TỰ DO
TRONG CÁC HỆ THỐNG CAD/CAM.........................................................39
2.1. Biểu diễn đường tự do trong hệ thống CAD/CAM...............................39
2.1.1. Các phương pháp biểu diễn toán cơ bản của đường tổng quát.. 39
2.1.2. Biểu diễn đường cong Bezier............................................................40
2.1.3. Biểu diễn đường cong B-spline.........................................................45
2.2. Biểu diễn mặt tự do trong hệ thống CAD/CAM....................................47
2.2.1. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình đa thức dạng
tham số........................................................................................................49
2.2.1.1. Mô hình toán biểu diễn mảnh mặt Ferguson..................................49
2.2.1.2. Mô hình mảnh mặt Bezier..............................................................50

2.2.2. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình nội suy ranh giới
mảnh mặt.....................................................................................................51
2.2.2.1. Biểu diễn mặt tự do bằng mô hình mặt kẻ.....................................51
2.2.2.2. Biểu diễn mặt tự do bằng mô hình mặt Coon................................52
2.2.3. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình mảnh quét............52
2.2.3.1. Mảnh mặt trượt tịnh tiến.................................................................52
2.2.3.2. Mảnh mặt quay...............................................................................53
2.2.4. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng tứ giác................................53
2.2.5. Mảnh mặt B - spline...........................................................................54
2.2.6. Mặt NURBS.......................................................................................55
2.2.6.1. Biểu diễn toán học bề mặt NURBS................................................55
2.3.6.2. Đạo hàm của mặt NURBS..............................................................56
2.2.7. Công cụ mô phỏng một số mặt cơ bản sang dạng mặt tự do...........57
2.3.8. Cấu trúc tệp (file) biểu diễn mặt theo định dạng IGES trong
CAD/CAM....................................................................................................59
2.2.8.1. Cấu trúc của file IGES....................................................................59
2.2.8.2. Biểu diễn một số đối tượng theo định dạng file IGES...................65
2.3. Kết luận................................................................................................67
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........................................................................................................69
3.1.
Giới thiệu.......................................................................................69
v


3.2.
Ảnh hưởng của dụng cụ khi tạo hình bề mặt trên máy phay
CNC.............................................................................................................70
3.3.

Xây dựng phương án lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý để gia công
tạo hình mặt tự do.......................................................................................74
3.3.1. Phân vùng mặt tự do.....................................................................75
3.3.2. Lựa chọn dụng cụ hợp lý tương ứng với từng phân vùng............79
3.3.3. Xác định ranh giới tương ứng với mỗi phân vùng cục bộ.............81
3.3.4. Thí nghiệm đánh giá kết quả.............................................................88
3.4.
Đề xuất phương án gia công với bề mặt đã phân vùng:...............99
3.4. Kết luận..............................................................................................101
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.............................................................................................104
4.1. Xây dựng thực nghiệm Taguchi đánh giá ảnh hưởng của đường
dụng cụ tới chất lượng tạo hình bề mặt tự do...........................................106
4.1. 1. Phương pháp Taguchi....................................................................106
4.1.2. Xây dựng thực nghiệm....................................................................108
4.1.2.1. Điều kiện thực nghiệm.................................................................108
4.1.2.2. Lựa chọn thông số đầu vào và xây dựng mảng trực giao
Taguchi......................................................................................................110
4.2. Đề xuất phương án xác định đường dụng cụ....................................115
4.2.1. Điều kiện biên..................................................................................115
4.2.2. Tính toán thông số đường dụng cụ.................................................116
4.2.2.1. Tính toán bước tiến ngang (St).(Bổ đề 1)....................................117
4.2.2.2. Xác định đường dẫn hợp lý đảm bảo Sc ≤ [Sc] (Bổ đề 2)...........119
4.2.3. Tính toán sai số xấp xỉ....................................................................124
4.3. Mô phỏng và thực nghiệm đánh giá kết quả......................................127
4.4. Kết luận..............................................................................................130
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................131
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................133
PHỤ LỤC.......................................................................................................1

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

23
vii

24
25

Q
C

Ma trận hệ số góc
Ma trận hệ số Ferguson

26

d
du

Phép tính đạo hàm với tham u

27
28
29
30
31
32
33
34

m

mm
µm
S(u,v)

35

Tn

36
37
38
39

G
Si

T

n
TT
St

Sc
Tpi

Đơn vị đo độ dài: mét
Đơn vị đo độ dài: mi li mét (10-3m)
Đơn vị đo độ dài: micro mét (10-6m)
Mặt tự do biểu diễn trong không gian tham số
Vector hướng dụng cụ

Vector pháp tuyến của mặt S(u,v)
Mặt phẳng tiếp tuyến của mặt cong S(u,v)
Khoảng dịch dao ngang (Step over size)
Mặt phẳng tạo bởi vector hướng dao và vector pháp
tuyến
Giao tuyến mặt phẳng Tn và TT
Điểm bất kỳ i của mặt S(u,v)
Đường cong giao giữa mặt Tn và S(u,v)
Đường dụng cụ thứ i


viii


Danh mục các chữ viết tắt
STT

Viết tắt
1

CAD

2

CAM

3

CAGD

4

CIM

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

ix


18 CL path
19 DP
DPi,
20

i=1,..8

x


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Các đường dụng cụ cơ bản.....................................................22
Bảng 1. 2. Thuật ngữ cơ bản của đường dụng cụ trong gia công CNC . 22
Bảng 1. 3. Mười dạng vùng bề mặt cục bộ của bề mặt tự do trơn liên
tục................................................................................................................33
Bảng 2. 1. Bảng cấu trúc dữ liệu file IGES................................................61
Bảng 2. 2. Bảng thống kê nhãn biểu diễn dữ liệu trong IGES...................63
Bảng 3. 1. Bảng điểm điều khiển và trọng số mặt tự do mẫu thí nghiệm
88
Bảng 3. 2. Bảng tính chất vật lý của nhựa PA...........................................89
Bảng 3. 3. Bảng thông số dụng cụ............................................................90
Bảng 3. 4. Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVANEX 9106.......................91
Bảng 3. 5. Bảng thông số cao độ z các điểm trên bề mặt mẫu thiết kế93
Bảng 3. 6. Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 1..........93
Bảng 3. 7. Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 2.........93
Bảng 3. 8. Chương trình gia công.............................................................97
Bảng 3. 9. Bảng tổng hợp thời gian gia công và chiều dài đường dụng cụ
98
Bảng 3. 10. Bảng tông hợp kết quả đánh giá............................................99
Bảng 3. 11. Bảng so sánh phương pháp gia công với bề mặt được phân
vùng...........................................................................................................100
Bảng 3. 12. Bảng thống kê gia công mẫu theo ba phương án................100
Bảng 4. 1. Bảng thông số dụng cụ..........................................................109
Bảng 4. 2. Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVA NEX9016.....................109
Bảng 4. 3. Bảng tọa độ điểm thiết kế mặt phôi........................................110

Bảng 4. 4. Bảng thông số F, S, T............................................................112
Bảng 4. 5. Mảng trực giao Taguchi L9 (3^3)...........................................112

xi


Bảng 4. 6. Kết quả đo tại các vị trí xác định trên bề mặt mẫu.................113
Bảng 4 . 7. Phân tích ANOVA các thông số ảnh hưởng tới tạo hình bề
mặt............................................................................................................114
Bảng 4. 8. Điểm điều khiển mảnh mặt lõm.............................................124

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Hiệu chỉnh đường tròn................................................................9
Hình 1. 2. Thiết kế có sử dụng đường tự do NURBS..................................9
Hình 1. 3. Hiệu chỉnh mặt trụ thường và mặt trụ biểu diễn dạng tự do
10
Hình 1. 4. Ứng dụng NURBS trong thiết kế...............................................10
Hình 1. 5. Mô tả nội suy tuyến tính và cung trên hệ máy CNC..................11
Hình 1. 6. Nội suy NURBS trên các hệ CNC.............................................12
Hình 1. 7. Nội suy tuyến tính và nội suy NURBS khi gia công mặt tự do
13
Hình 1. 8. Một ứng dụng mặt tự do trong khuôn........................................14
Hình 1. 9. Khảo sát thời gian gia công thô, tinh, đánh bóng khi gia công
khuôn...........................................................................................................15
Hình 1. 10. Mô hình hình học dao phay ngón tổng quát............................16
Hình 1. 11. Các dạng dao phay ngón cơ bản............................................17
Hình 1. 12. Dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do.........................................18

Hình 1. 13. Sự khác biệt giữa vùng lồi, vùng lõm và vùng phẳng khi gia
công.............................................................................................................19
Hình 1. 14. Đường cắt và cắt lẹm.............................................................20
Hình 1. 15. Gia công mặt tự do trên máy 5 trục.........................................21
Hình 1. 16. Đường dụng cụ......................................................................21
Hình 1. 17. Một số thuật ngữ về đường dụng cụ khi gia công trên máy
phay CNC....................................................................................................23
Hình 1. 18. Một số kiểu đường dụng cụ cơ bản trong Catia V5R20..........26
Hình 1. 19. Các thông số quan trọng khi gia công mặt tự do.....................28
Hình 1. 20. Chiều cao nhấp nhô để lại sau khi gia công tinh bằng dao
phay đầu cầu...............................................................................................28

xiii


Hình 1. 21. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm tiếp xúc
(CC-point)....................................................................................................29
Hình 1. 22. Sai số hình học khi gia công mặt............................................34
Hình 1. 23. Phân cụm với 2 đường dẫn xoắn ốc [51]................................35
Hình 1. 24. Sơ đồ khối tiến trình nghiên cứu.............................................37
Hình 2. 1. Sơ đồ khối nội dung chương 2.................................................39
Hình 2. 2. Mô hình toán đường cong Bezier.............................................41
Hình 2. 3. Sơ đồ tính toán điểm của đường cong Bezier bậc 3.................41
Hình 2. 4. Sơ đồ tính điểm điều khiển của đường Bezier tổng quát..........41
Hình 2. 5. Thuật toán xây dựng công cụ thiết kế, hiệu chỉnh đường
Bezier bậc n.................................................................................................42
Hình 2. 6. Công cụ xây dựng đường cong Bezier.....................................43
Hình 2. 7. Biểu diễn đường đường cong Bezier........................................44
Hình 2. 8. Kết quả thiết kế đường Bezier bậc 3 trên AutoCAD, Catia và
Công cụ xây dựng đường Bezier bậc n......................................................44

Hình 2. 9. Các mặt cơ bản........................................................................48
Hình 2. 10. Sự linh hoạt trong hiệu chỉnh của mặt tự do so với các mặt
cơ bản..........................................................................................................49
Hình 2. 11. Mô hình mặt mặt Ferguson.....................................................50
Hình 2. 12 Mảnh mặt Bezier bậc 4............................................................50
Hình 2. 13 a) Mô hình mặt kẻ b) Nội suy Taylor tuyến tính........................51
Hình 2. 14. Cấu trúc mảnh mặt Coons......................................................52
Hình 2. 15. Mặt mặt trượt..........................................................................52
Hình 2. 16. Mảnh mặt quay.......................................................................53
Hình 2. 17. Mảnh mặt tứ giác....................................................................53
Hình 2. 18. Mảnh mặt B-spline..................................................................54
Hình 2. 19. Sơ đồ thuật toán xây dựng công cụ thiết kế và hiệu chỉnh
mặt tự do.....................................................................................................58
xiv


Hình 2. 20. Menu tùy chọn mặt.................................................................58
Hình 2. 21. Biểu diễn mặt tự do................................................................59
Hình 2. 22. Sơ đồ thuật toán công cụ mô hình hóa file định dạng IGES
66
Hình 2. 23. Giao diện công cụ mô hình hóa file định dạng IGES...............67
Hình 2. 24. Hiển thị mặt tự do từ file cấu trúc IGES..................................67
Hình 3. 1. Các kiểu máy phay CNC thông dụng........................................70
Hình 3. 2. Hướng dụng cụ khi gia công trên máy CNC 3 và 5 trục............71
Hình 3. 3. Dụng cụ cắt có thể nghiêng để tránh cắt lẹm............................71
Hình 3. 4. Bán kính hiệu dụng của dụng cụ cắt.........................................72
Hình 3. 5. Quan hệ giữa góc nghiêng với bán kính hiệu dụng...................72
Hình 3. 6. Dụng cụ cắt có bán kính nhỏ không gây cắt lẹm.......................73
Hình 3. 7. Lựa chọn dụng cụ tương ứng với độ cong bề mặt....................73
Hình 3. 8. Sơ đồ lựa chọn dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do..................74

Hình 3. 9. Sơ đồ khối lựa chọn dụng cụ phù hợp bề mặt..........................75
Hình 3. 10. Biểu diễn bề mặt tự do...........................................................75
Hình 3. 11. Phương và chiều véc tơ pháp tuyến của mặt..........................75
Hình 3. 12. Độ cong Gauss và độ cong trung bình....................................77
Hình 3. 13. Mặt tự do được phân vùng.....................................................78
Hình 3. 14. Thuật toán phân vùng bề mặt tự do........................................78
Hình 3. 15. Sơ đồ phân vùng bề mặt thành mảnh mặt dựa theo H và K
79
Hình 3. 16. Thuật toán lựa chọn dụng cụ hợp lý.......................................80
Hình 3. 17. Mặt tự do có phân chia thành các mảnh cục bộ......................81
Hình 3. 18. Chuyển điểm 3D (x,y,z) sang không gian tham số 2D (u,v)
82
Hình 3. 19. Ánh xạ điểm 3D sang 2D để xác định đường ranh giới...........82
xv


Hình 3. 20. Ví dụ về cấu trúc tập dữ liệu điểm DP, DP1, DP2, DP3............83
Hình 3. 21. Cấu trúc của các tập dữ liệu điểm..........................................83
Hình 3. 22. Quy tắc 4 và 8 điểm lân cận...................................................84
Hình 3. 23. Đường ranh giới của mảng.....................................................84
Hình 3. 24. Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 4 điểm .. 85
Hình 3. 25. Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 8 điểm .. 85
Hình 3. 26. Thuật toán tạo đường ranh giới mảnh mặt..............................86
Hình 3. 27. Các hàm sử dụng xác định kích thước dụng cụ hợp lý...........87
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..................................88
Hình 3. 29. Đường ranh giới của vùng bề mặt tự do cục bộ......................89
Hình 3. 30. Bản vẽ thiết kế phôi................................................................89
Hình 3. 31. Máy phay CNC Hamai 3VA.....................................................90
Hình 3. 32. Dụng cụ cắt............................................................................90

Hình 3. 33. Mô phỏng quá trình gia công..................................................91
Hình 3. 34. Gia công mẫu trên máy phay CNC Hamai 3VA.......................92
Hình 3. 35. Thực hiện đo trên máy đo 3 tọa độ SVANEX..........................92
Hình 3. 36. Vị trí điểm đo..........................................................................92
Hình 3. 37. Biểu đồ dữ liệu đo mặt tự do được gia công...........................94
Hình 3. 38. Biểu đồ so sánh bề mặt theo 2 phương.................................95
Hình 3. 39. Đường ranh giới xuất hiện trên bề mặt sau gia công..............99
Hình 3. 40. Gia công bề mặt theo cách 3................................................101
Hình 4. 1. Sơ đồ khối các nội dung nghiên cứu trong chương 4.............105
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..........................106
Hình 4. 3. Máy phay CNC 3 trục.............................................................108
Hình 4. 4. Dụng cụ cắt............................................................................108
xvi


Hình 4. 5.

Máy đ

Hình 4.

6.

Thiết k

Hình 4.

7.

Kiểu đ

Hình 4.

8.

Sản p

Hình 4.

9.Tỉ số S/N .......................

Hình 4. 10. Sơ đồ xây dựng phương án xác định dường dụng cụ hơp lý
cho bề mặt tự do cấu trúc lõm .........................................................
Hình 4. 11. Hướng dụng cụ trong tọa độ Descartes ..........................
Hình 4. 12. Gia công mặt cong lõm ..................................................
Hình 4. 13. Sơ đồ xác định bước tiến hợp lý St ................................
Hình 4. 14. Sơ đồ tính toán St .........................................................
Hình 4. 15.
Hình 4.

16.

Hình 4.

17.

Hình 4.

18. Mô phỏng sinh đường

Hình 4.

19.

xvii


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 dấu
một 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
điều 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 hướng 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 điều khiển để cải
thiện khả năng điều khiển của máy CNC… Kết quả của các công trình khoa
học cũng như thực 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 triển 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 cụ và
các thông số trong quá trình gia công cũng như cải thiện khả năng giao tiếp
giữa các phần cứng trên máy CNC thông qua các trình điều khiển 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 hoạt, đáp
ứng được nhiều yêu cầu gia công phức tạp hơn, đặc biệt là những chi tiết
máy được thiết kế có chứa các bề mặt tự do.
Sự phát triển của máy CNC và những ưu điểm của nó kéo theo các lĩnh
vực phục vụ cho hệ máy này cũng phát triển không ngừng đó là CAD
(Computer Aided Design – Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) và
1


CAM (Computer Aided Manufacturing – Gia công có sự hỗ trợ của máy
tính). CAD hỗ trợ khâu thiết kế trở lên nhanh, dễ dàng và chính xác hơn,
CAM hỗ trợ khâu gia công, giải phóng con người khỏi các tính toán với khối
lượng phép tính lớn và phức tạp hơn bởi các công thức nội suy tích hợp.
Do vậy, lúc này năng suất cũng như 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 sử dụng CAM). Hiện nay
việc khai thác sử dụng các máy CNC cũng như các phần mềm 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, chiến lược dẫn dụng
cụ 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 tiết 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 điểm 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 vực CAD/CAM/CNC ở Việt Nam còn khá hạn chế. Trên thế giới cũng có
nhiều 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 được đề 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 thấy rằng vấn đề lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý khi
gia công các chi tiết có chứa mặt tự do vừa có tính khoa học và cũng có
tính thực tiễn rất cao, có tiềm 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
2

xác tạo hình bề mặt và giảm thời gian gia công so với phương pháp gia
công mặt tự do truyền 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
trục. 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 ngắn thời gian gia 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 bị
ảnh hưởng bởi các yếu tố về lực cắt và nhiệt qua đó có thể làm kết
quả nghiên cứu bị sai lệch.

3


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 phục vụ cho đối
tượng nghiên cứu trong luận án.
- Xây dựng các chương trình trên Matlab2014b để mô phỏng, tính
toán các nội dung liên quan trong luận án. Thiết kế các mẫu thực
nghiệm trên CATIA V5R20, mô phỏng quá trình gia công để kiểm
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.
- 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
phương 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 bề 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.
4


- 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
chất lượng tạo hình sản phẩm có chứa bề mặt tự do khi gia công
trên máy CNC 3 trục. Các thuật toán và chương trình máy tính đã
được xây dựng để thực 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 tiễn, 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. Thực 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.
- Đề xuất được một phương pháp mới sinh đường dụng cụ khi gia
công mặt tự do cấu trúc lõm trên máy phay CNC 3 trục.

6.

Bố cục của luận án

Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương như
sau:
Chương 1: Tổng quan về gia công mặt tự do

5


Chương 2: Phương pháp biểu diễn đường và mặt tự do trong các hệ
thống CAD/CAM
Chương 3: Xây dựng phương pháp lựa chọn dụng cụ hợp lý trong gia
công tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục
Chương 4: Xây dựng phương pháp lựa chọn đường dụng cụ hợp lý
trong gia công tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục.
Phần cuối cùng là Kết luận và Kiến nghị sẽ tổng kết các kết quả nghiên
cứu của luận án và đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo.

6