Tài liệu Mô hình hóa quá trình phay bề mặt 3d bằng dao phay đầu cầu (tt)

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Khi gia công bề mặt 3D có biên dạng cong thay đổi, chúng ta sẽ phải sử dụng đến dụng cụ cắt là dao phay ngón đầu cầu. Với loại dao này, tùy thuộc vào vị trí tiếp xúc của đầu dao với bề mặt gia công mà độ lớn cũng như phương của lực cắt, tốc độ cắt, nhiệt cắt,… sẽ khác nhau. Vận tốc cắt biến thiên từ cực đại về 0 tại mũi dao, do đó, tại vùng lân cận mũi dao vật liệu phôi không phải bị cắt gọt mà bị phá huỷ do biến dạng. Điều này khiến cho biến dạng của dụng cụ cắt cũng thay đổi liên tục, ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác gia công cũng như chất lượng bề mặt của chi tiết. Sai số đó đang là vấn đề gây ra khó khăn lớn cho các nhà sản xuất cơ khí bởi chưa có nghiên cứu nào cụ thể để họ có thể có những điều chỉnh phù hợp cho quá trình biên dịch chương trình gia công. Do vậy cần có những nghiên cứu sâu hơn về biến dạng của dụng cụ cắt. Vì vậy, đề tài “Mô hình hóa quá trình phay bề mặt 3D bằng dao phay đầu cầu” góp phần giải quyết các vấn đề trên. Đây là đề tài có tính cấp thiết và thực tiễn. 2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu a. Mục đích của đề tài - Mô hình hóa tiết diện cắt khi phay bề mặt 3D bằng dao phay ngón đầu cầu. - Mô hình hóa lực cắt khi phay bề mặt 3D. - Mô hình hóa sai số hình học bề mặt gia công khi phay bề mặt 3D bằng dao phay đầu cầu. - Mô hình hóa nhám bề mặt gia công khi phay bề mặt khi phay bằng dao phay đầu cầu. b. Đối tượng nghiên cứu - Bề mặt 3D tự do có dạng cục bộ là mặt trụ lồi và mặt trụ lõm. - Lực cắt khi phay mặt trụ lồi, lõm bằng dao phay cầu. - Nhám bề mặt và độ chính xác hình học của bề mặt 3D c. Phạm vi nghiên cứu - Tiết diện cắt khi phay mặt trụ lồi và lõm bằng dao phay ngón đầu cầu phụ thuộc vị trí tiếp xúc giữa dụng cụ cắt với bề mặt gia công. - Lực cắt khi phay phụ thuộc tiết diện cắt. 1 - Sai số gia công do biến đổi vị trí gia công của dụng cụ - Nhám bề mặt gia công do vết dịch dao để lại và biến đổi vị trí gia công của dụng cụ gây ra bởi lực cắt. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu - Sử dụng công cụ toán học và các phần mềm tính toán để thiết lập mối quan hệ giữa lực cắt, nhám bề mặt, biến đổi vị trí gia công của dụng cụ cắt với các thông số công nghệ và thông số hình học bề mặt gia công. - Thực nghiệm kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết. - Sử dụng các phương pháp hồi quy thực nghiệm để thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và thông số hình học bề mặt gia công với lực cắt, nhám bề mặt và sai số hình học bề mặt gia công. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a. Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để tính toán, đánh giá sai số hình học bề mặt và nhám bề mặt khi phay các bề mặt 3D bằng dao phay cầu. - Kết quả của đề tài là cơ sở cho các nghiên cứu liên quan như: nghiên cứu chế tạo các loại dao phay cầu, nghiên cứu tối ưu hóa quá trình phay các bề mặt 3D, nghiên cứu góc nghiêng đầu dao trong quá trình phay các bề mặt 3D trên máy CNC có 5 trục NC, …. b. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được ứng dụng vào thực tế sản xuất trong quá trình phân tích, thiết lập phương án chạy dao, lượng bù dao, chế độ cắt trong quá trình biên dịch chương trình nhằm phay các bề mặt 3D đạt độ chính xác hình học và chất lượng bề mặt đạt yêu cầu kỹ thuật. 5. Những đóng góp mới của luận án - Xây dựng được công thức tổng quát để tính toán tiết diện cắt khi phay mặt trụ lồi và mặt trụ lõm bằng dao phay đầu cầu. - Xây dựng được công thức tổng quát để tính toán lực cắt trong quá trình phay bằng dao phay đầu cầu trên các loại vật liệu gia công khác nhau. - Đưa ra được những tính toán về biến đổi vị trí gia công của dụng cụ khi phay bằng dao phay ngón đầu cầu. Từ đó có thể dự 2 đoán được sai số hình học do biến đổi vị trí gia công của dụng cụ cắt trong quá trình phay. - Luận án đã xây dựng được các phương trình toán học thể hiện sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt, độ nhám bề mặt và sai số hình học bề mặt 3D. 6. Nội dung của luận án Bố cục của luận án gồm 04 chương như sau: - Chương 1: Tổng quan về gia công bề mặt 3D - Chương 2: Mô hình hóa quá trình gia công phay CNC bề mặt 3D bằng dao phay ngón đầu cầu - Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng tính chính xác của mô hình - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng phương trình quan hệ giữa các thông số công nghệ và thông số hình học bề mặt gia công với lực cắt, sai số hình học và nhám bề mặt. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG BỀ MẶT 3D 1.2.2. Gia công trên máy CNC a. Dụng cụ dùng trong gia công bề mặt 3D Hình 1.11: Một số loại dụng cụ cắt dùng trong phay bề mặt 3D b. Đường dẫn dụng cụ trong gia công CNC Đường dẫn dụng cụ (quỹ đạo cắt) trong gia công đường cong 2D có được bằng cách dịch (offset) đường cong cần gia công một lượng bằng bán kính dụng cụ (r). Trong gia công 3D thì đường dẫn dụng cụ phức tạp hơn rất nhiều, chúng không những phụ thuộc vào hình dáng bề mặt gia công mà còn phụ thuộc vào hình dáng hình học của dụng cụ cắt (Hình 1.14). 3 Hình 1.14: Đường dẫn dụng cụ gia công 3D(nguồn [3]) 1.3. Tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài - Đề tài “Mô hình hoá quá trình cắt khi phay trên máy phay CNC”[4]. - Nghiên cứu về dao phay đầu cầu có bài viết “Mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền của dao phay cầu phủ TiAlN khi gia công thép Cr12MoV qua tôi”[5]. - Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình bề mặt tự do cấu trúc elip lõm khi gia công trên máy phay CNC”[1]. - Các tác giả từ Nhật Bản có bài viết “Basic study of ball end milling on hardened steel”[6]. - Bài viết “Prediction of cutting forces in ball-end milling by means of geometric analysis”[7] - Nghiên cứu về nhám bề mặt khi phay bề mặt tự do có bài viết “Problems During Milling and Roughness Registration of Freeform Surfaces”[8]. - Năm 2012, các tác giả đến từ Hy Lạp và Ba Lan có bài viết “Influence of milling strategy on the surface roughness in ball end milling of the aluminum alloy Al7075-T6”[9]. Nhận xét: Sau khi đánh giá nhu cầu thực tế và tìm hiểu nội dung các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan có thể nhận định như sau: - Các nghiên cứu cho dao phay ngón đầu bằng là khá đầy đủ và hoàn chỉnh. Nhưng không thể áp dụng kết quả đó cho dao phay cầu khi phay CNC bề mặt 3D. 4 - Các nghiên cứu khi phay CNC bề mặt 3D đã thực hiện phần lớn tập trung vào nghiên cứu tốc độ cắt và độ mòn dao. Chưa có nghiên cứu đầy đủ về lực cắt, độ nhám bề mặt và sai số bề mặt gia công do biến đổi vị trí gia công của dụng cụ dưới tác động của lực cắt. - Các nghiên cứu lực cắt cho dao phay cầu chỉ mới thực hiện nghiên cứu khi phay phẳng (lượng dư và hướng tiến dao không thay đổi). Chưa có nghiên cứu sâu về lực cắt khi phay CNC bề mặt 3D, đặc biệt là khi phay 3D với bề mặt có biên dạng cong thay đổi liên tục. - Đã có một số nghiên cứu về mô hình hoá phay CNC bề mặt 3D bằng dao phay ngón đầu cầu, nhưng đó là các mô hình hình học thuần tuý (sử dụng phương pháp CAD hoặc sử dụng các phân tích hình học thuần túy), chưa đưa ra được các hàm toán học cụ thể cho lực cắt, nhiệt cắt, nhám bề mặt khi phay CNC bề mặt 3D. Một số nghiên cứu đã xây dựng được các phương trình lực cắt và nhám bề mặt khi phay CNC bề mặt 3D tuy nhiên chưa thực sự tổng quát và đánh giá được đầy đủ mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ và thông số hình học bề mặt gia công đến lực cắt và độ nhám bề mặt. Các mô hình đã đưa ra chưa thể áp dụng để có thể điều chỉnh các thông số đầu vào nhằm đảm bảo độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt. - Trong các chỉ tiêu về chất lượng gia công bề mặt 3D có hai chỉ tiêu quan trọng là: + Chất lượng bề mặt, gồm: độ nhám và tính chất cơ lý lớp bề mặt. + Độ chính xác hình học, gồm: hình dạng, kích thước, vị trí bề mặt. Hai chỉ tiêu quan trọng trên, các công trình nghiên cứu đã được công bố, thường chỉ quan tâm ở mức độ nhất định, tùy khả năng và điều kiện nghiên cứu thực nghiệm, ví dụ: chỉ xét độ nhám mà chưa xét tính chất cơ lý lớp bề mặt, chỉ xét ảnh hưởng của mòn dao và các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt mà chưa xét đến thông số hình học bề mặt và hình học dụng cụ cắt,… 5 1.4. Kết luận chƣơng 1 - Bề mặt không gian tổng quát được hình thành bởi các phần bề mặt lồi, phần bề mặt lõm và phần bề mặt nghiêng có pháp tuyến không trùng với trục OZ. Một bề mặt 3D bất kỳ sẽ được hình thành bởi các phần bề mặt cục bộ cơ bản: mặt cầu lồi, mặt cầu lõm, mặt trụ lồi, mặt trụ lõm, mặt phẳng,… Trong nghiên cứu của mình, tác giả lựa chọn tập trung nghiên cứu 02 phần bề mặt cơ bản là mặt trụ lồi và mặt trụ lõm. - Về mặt lý thuyết, dao phay ngón đầu cầu có thể cắt bỏ hết lượng dư gia công của bề mặt cong có bán kính cong lớn hơn bán kính mũi dao. Tuy nhiên, thực tế luôn luôn có phần lượng dư không bao giờ bóc tách hết được tồn tại giữa 2 đường chuyển dao. Phần lượng dư để lại này góp phần tạo nên nhấp nhô bề mặt và gây ra độ nhám bề mặt của chi tiết gia công. Việc kiểm soát phần nhấp nhô này nhằm đạt được độ nhám bề mặt theo yêu cầu là vấn đề rất thiết yếu. - Đường kính điểm cắt trên mũi dao (D) thay đổi từ 2Rmũi dao đến 0, do đó vận tốc cắt biến thiên từ vận tốc cắt cực đại về giá trị 0 tại mũi dao, nên tại vùng lân cận mũi dao vật liệu phôi không phải bị cắt gọt mà bị phá hủy do biến dạng. - Tiết diện cắt khi phay bề mặt 3D cũng thay đổi liên tục, vì vậy lực cắt cũng sẽ biến thiên liên tục trong quá trình gia công. Lực cắt sẽ gây ra ảnh hưởng làm cho vị trí gia công của dụng cụ sẽ bị biến đổi so với vị trí được chương trình NC điều khiển. Bởi vậy, trong quá trình phay bề mặt 3D, biến đổi vị trí gia công của dụng cụ và do đó sai số hình học bề mặt gia công cũng sẽ không cố định. CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH GIA CÔNG PHAY CNC BỀ MẶT 3D 2.1. Mục đích của việc mô hình hóa Mục đích của quá trình mô hình hóa trong luận án này là: - Mô hình hóa lực cắt khi gia công bề mặt 3D. - Mô hình hóa sai số hình học và sai số kích thước bề mặt gia công. - Mô hình hóa nhám bề mặt. 6 2.2. Mô hình lực cắt khi phay bề mặt 3D Kết quả cho ta công thức tính lực cắt đơn vị p như sau [10]: p = c[tang(-1) + cotg1] (N/mm2) (2.1) Lực cắt được tính theo công thức sau: P = p.q (N) (2.2) Trong đó q là diện tích tiết diện lớp cắt được tách ra, nó phụ thuộc vào từng mô hình cắt cụ thể, p là lực cắt đơn vị. p là hằng số ứng với 1 cặp dụng cụ cắt và phôi nhất định. Như vậy lực cắt P sẽ tỉ lệ thuận với diện tích tiết diện lớp cắt được tách ra q. 2.2.1. Mô hình tính toán diện tích cắt khi phay mặt 3D a. Tính diện tích cắt khi phay mặt trụ lồi Khi phay mặt cong lồi bằng dao phay cầu, diện tích cắt của một lần tiến dao được mô tả như trên hình 2.3. Hình 2.3: Mô hình hình học phay mặt cong lồi bằng dao phay ngón đầu cầu Phân tích 3 phương trình trên và phân tích hình học của các cung tròn ̂ , ̂ , ̂ ta có phương trình các cung tròn trên tương ứng như sau: ( ) ( )[ . / ] * , - + ) (2.16) * , - + ( ) ( ) ( ) (2.17) ( ) ,( ) (2.18) Tiết diện mặt cắt được tính toán theo công thức sau: ( )| ( )| (2.19) ∫ | ( ) ∫ | ( ) Trong các công thức trên, các giá trị bán kính cung tròn R, bán kính mũi dao r, chiều sâu cắt t và bước dịch dao ngang s ( 7 là các tham số. Cố định các tham số R = 15mm, r =5mm, t =0.2 và 0.3 mm, thay đổi bước dịch dao ngang. Khi đó tiết diện phoi được tính toán và cho ở bảng 2.1 Bảng 2.1:Tiết diện cắt khi phay mặt trụ lồi t=0.2mm t=0.3mm Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Góc diện cắt diện diện cắt diện cắt diện diện cắt với cắt với với với cắt với với  (0) s= s= s= s= s= s= 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0.05mm 0.1mm 0.15mm (mm2) (mm2) (mm2) (mm2) (mm2) (mm2) 0 0.008 0.015 0.023 0.011 0.023 0.033 10 0.008 0.015 0.023 0.012 0.023 0.035 20 0.008 0.016 0.024 0.012 0.024 0.036 30 0.009 0.018 0.026 0.013 0.026 0.039 40 0.010 0.020 0.030 0.015 0.030 0.044 50 0.012 0.024 0.035 0.018 0.035 0.053 60 0.015 0.030 0.046 0.023 0.046 0.067 70 0.022 0.045 0.068 0.033 0.065 0.097 80 0.045 0.094 0.147 0.063 0.121 0.175 90 0.200 0.264 0.300 0.308 0.417 0.487 Sau khi tính toán và phân tích, mối qua hệ giữa tiết diện cắt và góc  được mô tả theo đồ thị như sau: a. Với t = 0.2mm b. Với t=0.3mm Hình 2.4: Mối quan hệ giữa góc  và diện tích cắt q khi phay mặt trụ lồi 8 b. Tính diện tích cắt khi phay mặt trụ lõm Hình 2.5: Mô hình hình học phay mặt cong lõm bằng dao đầu cầu ( ) ( )[ . / ] * , - + ( ) (2.31) * , - + ( ) ( ) ( ) (2.32) ( ) ,( ) (2.33) Tiết diện mặt cắt được tính toán theo công thức sau: ( )| ( )| (2.34) ∫ | ( ) ∫ | ( ) Trong các công thức trên, các giá trị bán kính cung tròn R, bán kính mũi dao r, chiều sâu cắt t và bước dịch dao ngang s là các tham số. Cố định các tham số R = 15mm, r =5mm, t =0.2mm và thay đổi bước dịch dao ngang. Khi đó tiết diện phoi được tính toán và cho ở bảng 2.2 Bảng 2.2:Tiết diện cắt khi phay mặt trụ lõm t=0.2mm t=0.3mm Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Tiết Góc diện cắt diện diện cắt diện cắt diện diện cắt với cắt với với với cắt với với  (0) s= s= s= s= s= s= 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0.05mm 0.1mm 0.15mm (mm2) (mm2) (mm2) (mm2) (mm2) (mm2) 0 0.015 0.030 0.045 0.022 0.045 0.067 10 0.015 0.030 0.045 0.023 0.045 0.068 20 0.016 0.032 0.048 0.024 0.048 0.071 9 30 40 50 60 70 80 90 0.017 0.034 0.052 0.026 0.052 0.078 0.019 0.039 0.059 0.029 0.058 0.088 0.023 0.046 0.070 0.035 0.070 0.105 0.030 0.059 0.091 0.045 0.091 0.137 0.043 0.084 0.138 0.066 0.135 0.207 0.079 0.148 0.292 0.140 0.316 0.537 0.137 0.369 0.419 0.427 0.577 0.675 Sau khi tính toán và phân tích, mối qua hệ giữa tiết diện cắt và góc góc  được mô tả theo đồ thị như sau: a. khi t = 0.2mm b. khi t=0.3mm Hình 2.6: Mối qua hệ giữa góc  và diện tích cắt q khi phay mặt trụ lõm 2.2.2. Phƣơng trình lực cắt Từ các công thức (2.2), (2.19), (2.34) ta có công thức tính lực cắt khi phay mặt trụ bằng dao phay đầu cầu như sau: ( )| ( )| 1 (2.38) 0∫ | ( ) ∫ | ( ) - p là lực cắt đơn vị, được xác định theo công thức (2.1), là hằng số phụ thuộc vào vật liệu gia công. Thực tế khi cắt với dao lưỡi cắt đơn, phụ thuộc vào độ bền và độ cứng của vật liệu ta lựa chọn lực cắt đơn vị như sau[10]: + Đối với vật liệu dẻo: p = (2,5–4,5)B. (2.39) + Đối với vật liệu dòn: p = (0,5–1,0)HB (2.40) Trong đó giá trị hệ số nhỏ dùng khi cắt với chiều dày cắt a lớn và ngược lại. 2.2.3. Tính sơ bộ lực cắt khi phay mặt 3D - Vật liệu gia công: loạt mẫu thép C45 độ cứng HB trung bình là 240HB, vì vậy: q = 1,0xHB = 240 (N/mm2) - Dụng cụ cắt: Dao phay ngón đầu cầu: r = 5 mm. - Bán kính bề mặt gia công: R = 15 mm. 10 - Bước tiến dao ngang: s =0.05, 0.1, 0.15 mm. - Lượng dư gia công: t = 0,2 và 0,3 mm. Bảng 2.3: Kết quả tính sơ bộ lực cắt khi phay mặt trụ lồi t=0.2mm t=0.3mm Lực cắt Lực cắt Lực cắt Lực cắt Lực cắt Lực cắt Góc (N) (N) (N) (N) (N) (N) khi khi khi khi khi khi  (0) s= s= s= s= s= s= 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0 1.800 3.624 5.424 2.736 5.448 7.968 10 1.848 3.672 5.520 2.76 5.544 8.304 20 1.920 3.864 5.784 2.904 5.808 8.688 30 2.088 4.200 6.288 3.144 6.288 9.408 40 2.376 4.752 7.128 3.552 7.104 10.632 50 2.832 5.664 8.496 4.224 8.448 12.624 60 3.648 7.296 10.992 5.424 10.944 16.128 70 5.352 10.800 16.296 7.896 15.624 23.16 80 10.872 22.656 35.376 15.096 29.016 41.904 90 48.072 63.456 72.024 73.944 100.032 116.88 Bảng 2.4: Kết quả tính sơ bộ lực cắt khi phay mặt trụ lõm t=0.2mm t=0.3mm Lực cắt Lực cắt Lực cắt Lực cắt Lực cắt Lực cắt Góc (N) (N) (N) (N) (N) (N) 0 khi khi khi khi khi khi ( ) s= s= s= s= s= s= 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0 3.624 7.200 10.704 5.352 10.680 16.032 10 3.624 7.248 10.896 5.424 10.872 16.296 20 3.792 7.584 11.424 5.688 11.400 17.088 30 4.128 8.232 12.432 6.192 12.384 18.600 40 4.656 9.288 14.088 7.008 14.016 21.072 50 5.544 11.016 16.872 8.352 16.776 25.248 60 7.080 14.040 21.912 10.776 21.720 32.832 70 10.248 20.040 33.072 15.936 32.496 49.776 80 19.056 35.472 70.080 33.672 75.888 128.920 90 32.880 82.464 100.560 102.456 138.576 161.952 11 Theo các kết quả tính toán được cho trên bảng 2.1 và 2.2, ta có biểu đồ lực cắt phụ thuộc góc  trên hình 2.8 và 2.9 a. khi t=0.2mm b. khi t=0.3mm Hình 2.8: Biểu đồ ảnh hưởng của góc  đến kết quả tính sơ bộ lực cắt khi phay mặt trụ lồi a. khi t=0.2mm b. khi t=0.3mm Hình 2.11: Biểu đồ ảnh hưởng của góc  đến kết quả tính sơ bộ lực cắt khi phay mặt trụ lõm Hình 2.8, 2.9, 2.10 và 2.11 cho thấy ảnh hưởng của góc  đến lực cắt cũng tương tự như sự ảnh hưởng của góc  đến tiết diện cắt. Điều này cũng có thể hiểu bởi theo dự đoán, lực cắt được tính bằng tích của tiết diện cắt với một hằng số. 2.3. Mô hình tính toán độ chính xác gia công Khi phay, lực cắt được phân tích thành 3 lực thành phần tác động vào dụng cụ cắt và hệ thống công nghệ là Px, Py, Pz. Hình 2.12: Sơ đồ lực cắt khi phay bằng dao phay ngón đầu cầu 12 PZ = P.Cos (2.42) PX = P.Sin.Sin (2.43) PY = P.Sin.Cos (2.44) - Lực PX tác động lên dụng cụ cắt, gây ra biến dạng dụng cụ cắt, vì vậy đây là thành phần lực cắt ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công. Thành phần lực cắt PX sẽ gây ra biến dạng dụng cụ như hình 2.12 Hình 2.14: Sơ đồ tính toán biến dạng của dụng cụ dưới ảnh hưởng của thành phần lực cắt PX Biến dạng của dụng cụ được tính theo công thức 2.48. ( ) (mm) (2.48) Bảng 2.5:Dự đoán biến dạng dụng cụ cắt khi phay mặt trụ lồi, t=0.2mm Khi s = 0.05mm Khi s = 0.1mm Khi s = 0.15mm Góc  Lực cắt Lực cắt  (mm) Lực cắt   (0) (N) (N) (N) (mm) (mm) 0 1.800 0.000 3.624 0.000 5.424 0.000 10 1.848 0.000 3.672 0.000 5.520 0.000 20 1.920 0.000 3.864 0.001 5.784 0.001 30 2.088 0.001 4.200 0.001 6.288 0.002 40 2.376 0.001 4.752 0.002 7.128 0.002 50 2.832 0.001 5.664 0.002 8.496 0.004 60 3.648 0.002 7.296 0.004 10.992 0.005 70 5.352 0.003 10.800 0.006 16.296 0.009 80 10.872 0.007 22.656 0.014 35.376 0.023 90 48.072 0.021 63.456 0.034 72.024 0.050 13 Bảng 2.6:Dự đoán biến dạng dụng cụ cắt khi phay mặt trụ lõm, t=0.2mm Khi s = 0.05mm Khi s = 0.1mm Khi s = 0.15mm Góc  Lực cắt  (mm) Lực cắt  (mm) Lực cắt  0 () (N) (N) (N) (mm) 0 3.624 0.000 7.200 0.000 10.704 0.000 10 3.624 0.000 7.248 0.001 10.896 0.001 20 3.792 0.001 7.584 0.001 11.424 0.002 30 4.128 0.001 8.232 0.002 12.432 0.003 40 4.656 0.002 9.288 0.003 14.088 0.005 50 5.544 0.002 11.016 0.005 16.872 0.007 60 7.080 0.004 14.040 0.007 21.912 0.011 70 10.248 0.006 20.040 0.011 33.072 0.019 80 19.056 0.012 35.472 0.023 70.080 0.045 90 32.880 0.023 88.464 0.062 100.560 0.070 2.4.2. Ảnh hƣởng của hình học dụng cụ đến chất lƣợng tạo hình trong gia công bề mặt 3D[3],[1] * Gia công mặt cong lồi (Hình 2.17b, 2.18) Hình 2.18: Sơ đồ xác định chiều cao nhấp nhô khi gia công mặt cong lồi bằng dao phay ngón đầu cầu √ 0√ ( ) √ 1 (2.50) * Gia công bề mặt cong lõm (Hình 2.14c) 14 Hình 2.19: Sơ đồ xác định chiều cao nhấp nhô khi gia công mặt cong lõm bằng dao phay ngón đầu cầu ( ( ) ) (2.51) 2.5. Kết luận chƣơng 2 - Đưa ra được phương trình tính tiết diện cắt khi phay mặt trụ lồi-lõm bằng dao phay ngón đầu cầu phụ thuộc vào hình dáng hình học bề mặt chi tiết gia công, hình dáng bề mặt dụng cụ cắt, vị trí tiếp xúc của dụng cụ cắt với bề mặt dụng cụ gia công và một số thông số công nghệ như lượng dư gia công, bước dịch dao ngang. - Đã xây dựng được phương trình tổng quát để tính toán sơ bộ lực cắt xảy ra trong quá trình gia công bề mặt trụ lồi-lõm. - Đã xây dựng được phương trình tính toán mức độ biến đổi vị trí gia công của dụng cụ cắt, từ đó đánh giá được sai số khi phay mặt trụ lồi-lõm. - Đã đưa ra giả thuyết về độ nhám bề mặt khi phay bề mặt 3D, ngoài phụ thuộc vào các thông số công nghệ còn phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng hình học của bề mặt gia công và vị trí tiếp xúc giữa dụng cụ cắt với bề mặt gia công (được đặc trưng bởi góc ). CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG TÍNH CHÍNH XÁC CỦA MÔ HÌNH 3.2. Mô hình thực nghiệm Sơ đồ thực nghiệm: 15 Hình 3.1: Sơ đồ thực nghiệm Hình 3.2: Sơ đồ chạy dao quá trình thực nghiệm 3.3. Kết quả thực nghiệm và các đánh giá 3.3.1. Kết quả đo lực cắt Hình 3.15: So sánh lực cắt lý Hình 3.13: So sánh lực cắt lý thuyết và lực cắt đo được thuyết và lực cắt đo được trong thực nghiệm khi phay trong thực nghiệm khi phay mặt trụ lồi mặt trụ lồi Có thể nhận thấy: - Lực cắt thực tế thu được chịu sự ảnh hưởng của góc  tương đối phù hợp với những dự đoán trong mô hình lý thuyết. 16 - Trên thực tế, lực cắt đo được có giá trị lớn hơn dự đoán lý thuyết. Điều này có thể được giải thích bởi khi tính toán lý thuyết, lực cắt đơn vị được tính theo năng lượng cần để bóc tách một đơn vị diện tích ra khỏi phôi, tuy nhiên khi cắt thực tế còn nhiều thông số ảnh hưởng đến lực cắt mà trong mô hình lý thuyết chưa thể đánh giá hết. 3.3.2. Kết quả đo độ chính xác gia công Hình 3.18: So sánh bề mặt mặt trụ lồi sau khi phay với bản vẽ Hình 3.19: So sánh bề mặt mặt trụ lõm sau khi phay với bản vẽ Bảng 3.5:Sai số bề mặt đo được trên mẫu thực nghiệm bề mặt trụ lồi (F=700mm/phút) t=0.2mm t=0.3mm Góc  (mm)  (mm)  (mm)  (mm)  (mm)  (mm)  khi khi khi khi khi khi (0) s= s= s= s= s= s= 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0 -0.01 -0.01 0.01 -0.01 0.00 0.02 10 0.00 0.01 0.01 0.00 0.01 0.01 20 -0.01 0.00 0.01 0.01 0.01 0.02 30 0.00 0.01 0.01 0.00 0.02 0.02 40 0.01 0.01 0.02 0.01 0.01 0.03 50 0.01 0.01 0.02 0.00 0.02 0.03 60 0.00 0.01 0.02 0.01 0.02 0.03 70 0.01 0.01 0.02 0.01 0.02 0.04 80 0.02 0.03 0.03 0.02 0.03 0.05 90 0.02 0.04 0.05 0.02 0.05 0.06 17 Bảng 3.6:Sai số bề mặt đo được trên mẫu thực nghiệm bề mặt trụ lõm(F=700mm/phút) t=0.2mm t=0.3mm Góc  (mm)  (mm)  (mm)  (mm)  (mm)  (mm)  khi khi khi khi khi khi (0) s= s= s= s= s= s= 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0.05mm 0.1mm 0.15mm 0 0.00 0.02 0.02 0.00 0.03 0.03 10 0.01 0.01 0.02 0.01 0.05 0.04 20 0.00 0.02 0.02 0.01 0.04 0.05 30 0.01 0.02 0.03 0.01 0.05 0.05 40 0.00 0.01 0.03 0.01 0.05 0.05 50 0.00 0.02 0.04 0.02 0.04 0.06 60 0.02 0.02 0.04 0.02 0.05 0.07 70 0.02 0.03 0.05 0.03 0.05 0.07 80 0.02 0.04 0.05 0.02 0.05 0.08 90 0.03 0.05 0.07 0.03 0.06 0.08 Có thể nhận thấy: - Sai số khi gia công mặt trụ tăng dần theo góc  đúng như dự đoán. - Giá trị sai số trên thực tế và tính toán có sai lệch, điều này có thể bởi các nguyên nhân sau: + Trong cơ sở lý thuyết ta chỉ mới giả thuyết sai số gia công do biến dạng dụng cụ cắt. Nhưng thực tế, sai số gia công ngoài biến dạng dụng cụ còn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố ngẫu nhiên không thể kiểm soát khác như: rung động của hệ thống công nghệ, thậm chí cả mức độ chính xác hay độ phân giải của phần mềm đồ họa, phần mềm CAM. + Sai số thực tế cũng có thể được gây ra bởi sai số của thiết bị đo. Ở đây, sai số máy Scan 3D và phầm mềm so sánh bề mặt chỉ đạt 0.01mm. 3.3.3. Kết quả đo độ nhám bề mặt gia công 18 Bảng 3.7: Kết quả đo độ nhám bề mặt Ra khi phay mặt trụ lồi(F=700mm/phút) Góc  (0) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t=0.2mm t=0.3mm Ra Ra Ra (µm) Ra (µm) Ra (µm) Ra (µm) (µm) (µm) khi khi khi khi khi khi s= s= s= s= s= s= 0.05mm 0.15mm 0.05mm 0.15mm 0.1mm 0.1mm 0.11 0.32 0.41 0.12 0.35 0.45 0.12 0.34 0.51 0.12 0.43 0.54 0.13 0.43 0.52 0.14 0.52 0.55 0.15 0.47 0.54 0.18 0.57 0.56 0.17 0.5 0.56 0.20 0.59 0.6 0.23 0.53 0.64 0.25 0.64 0.65 0.26 0.57 0.70 0.28 0.72 0.71 0.29 0.62 0.75 0.30 0.75 0.76 0.34 0.69 0.80 0.37 0.81 0.85 0.37 0.62 0.84 0.40 0.83 0.87 Bảng 3.8: Kết quả đo độ nhám bề mặt Ra khi phay mặt trụ lõm(F=700mm/phút) t=0.2mm t=0.3mm Góc Ra (µm) Ra Ra (µm) Ra (µm) Ra Ra (µm) khi (µm) khi khi (µm) khi  (0) s= khi s= s= khi s= 0.05mm s = 0.1 0.15mm 0.05mm s = 0.1 0.15mm 0 0.12 0.42 0.51 0.13 0.45 0.51 10 0.12 0.41 0.51 0.13 0.53 0.53 20 0.13 0.43 0.53 0.13 0.53 0.55 30 0.15 0.47 0.56 0.16 0.57 0.56 40 0.16 0.49 0.57 0.18 0.59 0.59 50 0.22 0.53 0.63 0.23 0.63 0.63 60 0.25 0.58 0.71 0.27 0.68 0.72 70 0.28 0.62 0.75 0.30 0.75 0.78 80 0.33 0.70 0.81 0.35 0.81 0.85 90 0.37 0.78 0.83 0.40 0.84 0.88 19 Kết quả trên cho thấy: - Độ nhám bề mặt 3D sẽ tăng dần theo góc  bởi nhấp nhô bề mặt do vết dao để lại trên bề mặt lớn dần theo góc . - Kết quả cũng cho thấy bước dịch dao ngang ảnh hưởng rất lớn đến độ nhám bề mặt. - Kết quả độ nhám đo được cho thấy biên độ thay đổi của nhám bề mặt trong các mẫu thực nghiệm là rất lớn (Từ cấp 10 ở góc  nhỏ có thể giảm về cấp 7 khi  lớn). 3.4. Kết luận Chƣơng 3 Các kết quả thực nghiệm đo được cho thấy: - Lực cắt đo được trong quá trình phay mặt trụ lồi, lõm đúng với những dự đoán trong cơ sở lý thuyết ở chương 2, đặc biệt là ảnh hưởng của góc  đến lực cắt. Qua kết quả thực nghiệm có thể thấy lực cắt sẽ tăng lên khi góc  tăng giống như những tính toán ở chương 2. - Giá trị lực cắt thực tế đo được lớn hơn dự đoán trong cơ sở lý thuyết có thể được giải thích bởi ảnh hưởng của các thông số mà trong tính toán lý thuyết chưa đề cập đến. Mức độ ảnh hưởng của các thông số này sẽ được xác định bằng hồi quy thực nghiệm. - Sai số hình học bề mặt gia công cũng đã đo được bằng nhiều phương pháp khác nhau, sai số này cũng tương tự với những dự đoán đã đưa ra trong cơ sở lý thuyết. Giá trị sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm nằm trong miền sai số của thiết bị đo. - Kết quả đo độ nhám bề mặt có thể kết luận: khi gia công bề mặt 3D thì nếu góc  tăng, độ nhám bề mặt cũng tăng. Kết luận này phù hợp với những giả thuyết đã đưa ra trong cơ sở lý thuyết ở chương 2. Trong cùng một chế độ cắt, nếu cắt ở góc  từ 0 đến 900 thì độ nhám bề mặt có thể thay đổi trong phạm vi tới 3 cấp độ nhám. Điều này cho thấy sự cần thiết phải xây dựng một hàm quan hệ giữa các thông số công nghệ với lực cắt khi phay bề mặt 3D để có thể kiểm soát chính xác độ nhám bề mặt gia công. 20