Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1
ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN
ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬ T CÔNG NGHIỆ P
LUẬ N VĂN THC S K THUT
CHUYÊN NGÀ NH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠ O MÁ Y
NGHIÊN CƢ́ U NÂNG CAO CHẤ T LƢỢ NG BỀ MẶ T CHI
TIẾ T GIA CÔNG BẰ NG TỐ I ƢU HÓ A MỘ T SỐ YẾ U TỐ KỸ
THUẬ T CỦ A QUÁ TRNH PHAY TINH TRÊN MY
CÔNG CỤ CNC HC VIÊN: V NHƢ NGUYT
HƢỚ NG DẪ N KHOA HỌ C: TS. HONG V
LỚ P: CHK10- CNCTM
NĂM HỌ C: 2007-2009
Tác giả Vũ Như Nguyệt Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Lời cam đoan
2
Mục lục
3
Danh mục các bảng số liệu
6
Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt
6
Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh chụp
7
Phần mở đầu
10
1.
Tính cấp thiết của đề tài
10
2.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
10
3.
Phƣơng pháp nghiên cứu
11
4.
Nội dung nghiên cứu
11
CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHAY TINH CÁC BỀ
MẶT HÌNH HỌC PHỨC TẠP
CHƢƠNG 2: CƠ CHẾ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG
36
2.1.
Mô hình hình học bề mặt chi tiết gia công
36
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5
2.2.
Mối quan hệ hình học giữa profin của dao và phôi
37
2.3.
Mô hình lực cắt khi phay
45
2.4.
Kết luận
53
CHƢƠNG 3: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ
MẶT CHI TIẾT KHI PHAY TINH
55
3.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công khi
phay tinh bằng dao phay đầu cầu
55
4.1.
Điều kiện thực nghiệm
67
4.1.1. Máy công cụ CNC
67
4.1.2. Dụng cụ cắt
68
4.2.
Tiến hành thí nghiệm
73
4.3. Phân tích các yếu tố kĩ thuật
77
4.3.1. Phân tích bề mặt chi tiết gia công
77
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6
4.3.2. Chế độ cắt
79 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
7
DANH MỤC CC BẢNG SỐ LIU
TT
Bảng
Nội dung
Trang
1.
Bảng 1.1
Phƣơng trình pháp tuyến của các mặt cong
15
2.
Bảng 4.1
Các thông số kĩ thuật khi phay tinh
74
3.
Bảng 4.2
Thông số kỹ thuật cơ bản của máy phay VMC- 85S
74
4.
Bảng 4.3
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
8
DANH MỤC CC HNH VẼ - ĐỒ TH - ẢNH CHỤP
TT
Hình
Nội dung
Trang
1.
Hình 1.1
Hệ tọa độ của máy phay CNC
13
2.
Hình 1.2
10.
Hình 1.10
Thông số hình học của lƣỡi cắt
26
11.
Hình 1.11
Thông số tính toán vận tốc cắt của dao phay cầu
27
12.
Hình 1.12
Các thành phần của lực cắt
28
13.
Hình 1.13
Lƣỡi cắt thành phần
29
14.
Hình 1.14
Khi bán kính dao lớn hơn bán kính cong chi tiết
30
15.
Hình 1.15
Tiếp xúc ngoài
31
16.
Hình 1.16
Tiếp xúc trong
31
17.
Hình 1.17
25.
Hình 2.4
Đồ thị của hàm F
1
42
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
9
26.
Hình 2.5
Mô hình bề mặt chi tiết gia công tại một vị trí cắt
43
27.
Hình 2.6
Các thành phần của vận tốc cắt tại một điểm cắt
44
28.
Hình 2.7
Kiểu chạy dao theo biên dạng chi tiết
45
29.
Hình 2.8
63
36.
Hình 4.1
Các điểm gốc và điểm chuẩn của máy phay CNC
67
37.
Hình 4.2
Hình dạng - kích thƣớc chế tạo của dao phay cầu kiểu 1
ký kiệu BZD25G hãng Missubishi - Nhật Bản [7]
69
38.
Hình 4.3
Hình dạng - kích thƣớc chế tạo của dao chỉ có lƣỡi cắt
trên phần cầu ký hiệu BNBP 2 R của hãng
SUMITOMO - Nhật Bản [7]
70
39.
Hình 4.4
Hình dạng - kích thƣớc chế tạo của thân dao ký hiệu
SRFHSMW, SRFHSLW và mảnh ghép ký hiệu SRFT
vật liệu VP10MF, VP15TF của dao một mảnh cắt hãng
Mitssubishi - Nhật Bản [7]
71
40.
Hình 4.5
Hình dạng - kích thƣớc chế tạo của thân dao ký hiệu
TRM4 và mảnh ghép ký hiệu UPE45,UPE50, UPM40,
UPM50, UPM50P0, UPM40P1, UPM50P1vật liệu
VP15TF, GP20M, AP20M của dao ghép nhiều mảnh
cắt hãng Mitssubishi - Nhật Bản
83
45.
Hình 4.10
Bề mặt chi tiết khi gá nghiêng phôi 45,5
0
83
46.
Hình 4.11
Đo độ nhám bề mặt chi tiết
84
phƣơng và các thành phần của lực cắt thay đổi, đồng thời chiều dày lớp cắt cũng
thay đổi. Do vậy làm cho quá trình cắt gọt với lực cắt không đều, bị rung động, gây
trƣợt trên bề mặt, lực ma sát thay đổi làm cho độ bóng không đồng đều trên bề mặt
chi tiết.
Vì vậy nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bóng, độ chính xác bề
mặt để tối ƣu hóa một số yếu tố kỹ thuật của quá trình phay tinh nhằm nâng cao
chất lƣợng bề mặt chi tiết, tăng hiệu quả kinh tế của các chi tiết đó.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1. Ý nghĩa khoa học
Các chi tiết với hình dáng hình học phức tạp có nhiều ứng dụng trong thực tế đƣợc
nghiên cứu ở đề tài về thông số kĩ thuật của quá trình gia công để đƣa ra phƣơng
pháp tối ƣu mới trong quá trình phay tinh nhằm nâng cao chất lƣợng bề mặt chi tiết.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
12
Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố kỹ thuật đến chất lƣợng bề mặt chi tiết để
lựa chọn thông số kĩ thuật tối ƣu đó là lựa chọn kiểu dụng cụ, đƣờng chạy dao,
thông số gá đặt, vận tốc cắt tối ƣu. Vì thế nghiên cứu có ứng dụng để nâng cao chất
lƣợng bề mặt chi tiết khi phay tinh trên máy công cụ CNC.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phƣơng pháp nghiên cứu thực
nghiệm.
13
CHƢƠNG 1: TỔ NG QUAN VỀ GIA CÔNG TINH BỀ MẶ T HNH HC
PHỨC TP TRONG K THUT
1.1. Giới thiệu quá trình gia công tinh các bề mặt phức tạp
Trong ngành chế tạo máy, việc chế tạo các chi tiết có hình dáng hình học
phức tạp (chi tiết khuôn, mẫu, các chi tiết trong ngành hàng không, giao thông vận
tải ), đƣợc làm bằng vật liệu khó gia công nhƣ thép hợp kim có độ bền cao, thép
chịu nhiệt, thép không gỉ, thép đã tôi đã và đang phát triển mạnh mẽ. Để gia công
các chi tiết đó đạt độ chính xác về hình dáng hình học, cơ lý tính bề mặt và độ bóng
bề mặt có nhiều phƣơng pháp gia công để lựa chọn vì hiện nay ngành cơ khí chế tạo
máy có rất nhiều loại máy công cụ, nhiều kiểu dụng cụ cắt, nhiều loại vật liệu phù
hợp và kết hợp với công nghệ hiện đại nhƣ công nghệ CAD/CAM. Việc gia công
những bề mặt chi tiết phức tạp này có một số phƣơng pháp nhƣ: Gia công bằng điện
hoá, gia công bằng siêu âm, gia công bằng tia lửa điện Những phƣơng pháp gia
công này cần nguồn đầu tƣ lớn, năng suất gia công thấp dẫn đến giá thành của chi
tiết gia công cao. Bên cạnh đó, sự xuất hiện và khả năng ứng dụng của các máy
công cụ CNC ngày càng đƣợc khẳng định, đó là khả năng gia công với độ chính xác
yêu cầu, năng suất cao và giá thành hạ, cụ thể gia công các chi tiết đó trên máy phay
CNC bằng nguyên công gia công tinh.
1.1.1. Các thông số kỹ thuật cần thiết
Khi gia công chi tiết trên máy phay CNC cần cung cấp các chuyển động cần
thiết để tạo hình bề mặt đó là: Chuyển động quay của dao tạo tốc độ cắt chính, và
chuyển động tịnh tiến của phôi. Do đó, các điểm tham gia cắt gọt của dao là các
điểm tiếp xúc giữa lƣỡi cắt và bề mặt phôi, và các điểm tiếp xúc này thay đổi vị trí
phức tạp phụ thuộc vào mối quan hệ hình học của lƣỡi cắt và bề mặt chi tiết. Điều
này quyết định lớn đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công.
Hệ trục tọa độ và vị trí của dao, chi tiết gia công khi cắt gọt trên các máy
phay CNC nhƣ hình vẽ:
toán học với các dạng chủ yếu sau [4]:
Phương trình mặt cong có thể cho bởi một trong các dạng sau:
-Dạng ẩn: F(x,y,z) = 0 (1.1)
- Dạng tƣờng minh : z = f(x,y) (1.2)
- Dạng tham số: x = x(u,v), y = y(u,v), z = z(u,v) (1.3)
- Dạng véc tơ: r = r(u,v) hay r = x(u,v).i + y(u,v).j + z(u,v).k (1.4)
Tọa độ cong trên mặt cong: Nếu mặt cong cho dƣới dạng tham số hay véc tơ, thì khi
cố định giá trị của một tham số v = v
0
và cho tham số kia (u) biến thiên thì điểm
r(x,y,z) vạch lên một đƣờng cong nằm trên mặt cong: r = r(u,v
0
). Nếu cho v những
giá trị không đổi khác nhau: v = v
1
; v = v
2
; thì chúng ta nhận đƣợc một họ đƣờng
cong trên mặt cong; bởi vì v = const nên đi dọc theo đƣờng cong ấy mỗi u thay đổi,
do đó những đƣờng cong ấy đƣợc gọi những đƣờng u.
v
2
v
1
v
0
u
0
u
1
là các tọa độ cong hay tọa độ Gauxơ của điểm M trên mặt
cong.
Mặt phẳng tiếp xúc và pháp tuyến:
Nếu qua một điểm cho trƣớc M(r,x, y, z) của mặt cong, vạch tất cả các đƣờng cong
có thể đƣợc trên mặt cong, thì các tiếp tuyến của chúng tại điểm M sẽ nằm trên
cùng mặt phẳng, đó là mặt phẳng tiếp xúc với mặt cong tại điểm M ( trừ những
điểm cônic của mặt cong). Đƣờng thẳng đi qua M và thẳng góc với mặt phẳng tiếp
xúc gọi là pháp tuyến với mặt cong tại điểm M. Mặt phẳng tiếp xúc đi qua các véctơ
v
r
r
u
r
r
21
;
là các véctơ tiếp xúc với đƣờng u và đƣờng v tại điểm M; tích của
chúng r
1
.r
2
là một véc tơ song song với pháp tuyến và véctơ đơn vị của nó
21
21
yY
y
F
xX
x
F
z
F
zZ
x
F
yY
x
F
xX
z = f(x,y)
Z – z = p(X –x) + q(Y – y)
__________
__________
____
=0
v
y
v
x
u
y
u
x
zZ
v
x
v
z
u
.
.
.
.
.
.
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
17
r = r(u,v) hay r =
;
.
Yếu tố bậc nhất của mặt cong:
Nếu mặt cong đƣợc cho dƣới dạng (1.3) hay (1.4), M(u,v) là một điểm cho trƣớc
của mặt cong và N(u + du, v + dv) là một điểm trên mặt cong gần M, thì độ dài
cung MN trên mặt cong đƣợc biểu thị một cách gần đúng bởi vi phân cung hay yếu
tố bậc nhất của mặt cong theo công thức:
222
2. dvGdvEduduEds
(1.5)
Trong đó:
222
2
1
y
v
x
u
x
rrF
21
(1.6)
222
2
2
Các hệ số E, F, G phụ thuộc vào các điểm của mặt.
Đối với mặt cong cho dƣới dạng 1.1: E = 1 + p
2
; F = p.q; G = 1 + q
2
, trong đó
y
z
q
x
z
p
;
.
Các phép đo trên mặt cong:
Độ dài cung của đƣờng cong u = u(t), v = v(t) trên mặt cong với
10
ttt
đƣợc tính
theo công thức:
dt
dt
dv
18
Góc giữa hai đƣờng cong: ( tức là giữa các tiếp tuyến của nó) cắt nhau tại điểm M
và có phƣơng trùng với phƣơng của các véctơ dr (du, dv) và
),( vur
tại điểm đó
đƣợc tính theo công thức:
222222
2 2.
) (
).()(
.
cos
vGvuFuEdvGdvFduduE
vdvGudvvduFuduE
rdr
rdr
(1.8)
Đặc biệt, hai đƣờng sẽ vuông góc với nhau nếu tử số của (1.8) bằng không; F = 0 là
điều kiện vuông góc của các đƣờng tọa độ v = const (dv = 0) và u = const (
0u
dr
dr
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
19
M
Q
P
C
r
n
M
Q
P
C
n
N
C
ph.d.g
M
Q
P
C
N
M
1
N
rN
Hình 1.6. Hình minh hoạ
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
20
Trong công thức (M), R đƣợc lấy dấu cộng nếu N hƣớng về bề lõm của đƣờng cong
C
phdg
, và dấu trừ nếu hƣớng về bề lồi.
- Đối với mỗi giao tuyến pháp C
phdg
, độ cong của nó là:
2
2
1
2
). R
2
+ h[2p.q.s – ( 1 + p
2
) – (1 + q
2
).r]. R + h
4
= 0 (A)
Trong đó:
22
2
22
2
2
1,,
.
;;; qph
y
z
t
yx
z
s
x
z
r
y
z
q
0])1([)]1()1.([))].(1([
22222
rpqps
dx
dy
qrpt
dx
dy
qstpq
(B)
Nếu mặt cong đƣợc cho dƣới dạng tham số r = r(u,v) thì các phƣơng trình tƣơng
ứng với (A) và (B) sẽ có dạng:
(D.D‖ – D’
2
).R
2
– (E.D‖ – 2F.D’ + G.D).R + (E.G – F
2
) = 0 (A’)
(G.D’ – F.D‖).(
du
dv
)
2
+ (G.D – ED‖).
du
dv
+ (F.D – E.D’) = 0 (B’)
Trong đó: D, D’, D‖ là các hệ số của dạng thức toàn phƣơng thứ hai của mặt cong,
xác định bởi các công thức:
, r
22
là các đạo hàm riêng cấp hai của bán kính véc tơ r theo
các tham số u và v; các tử số d, d’, d‖ là:
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
21
v
z
v
y
v
x
u
z
u
y
u
x
v
z
v
z
u
y
u
x
u
z
u
y
u
x
d
2
2
2
2
2
2
22
2
2
2
2
2
2
2
",
',
(1.11)
Những đƣờng cong trên mặt cong, mà tại mỗi điểm có chiều của các giao tuyến
pháp chính, đƣợc gọi là những đƣờng chính khúc; phƣơng trình của chúng thu đƣợc
bằng cách tích phân phƣơng trình vi phân (B) và (B’).
bằng
, thì một giao tuyến pháp chính có điểm uốn hay là một đƣờng
thẳng; điểm nhƣ thế của mặt cong đƣợc gọi là điểm parabolic, điều kiện giải tích:
D.D‖ – D’
2
= 0.
C
1
C
2
M
C
1
C
2
M
C
1
C
2
M
b)a)
c)
Hình 1.7.
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
đổi thì đƣợc gọi là mặt cong với độ cong không đổi; những thí dụ về những mặt mà
K > 0 là mặt cầu, K < 0 là mặt cầu giả ( mặt tròn xoay do quay đƣờng tơrăctơric
quanh trục của nó).
Các điểm đặc biệt trên bề mặt chi tiết gia công:
Trong nhiều trƣờng hợp cần tìm các điểm đặc biệt (điểm nhọn, điểm giới hạn,
điểm đổi hƣớng) trên prôfin chi tiết. Tại đó prôfin chi tiết đƣợc đổi hƣớng và theo
toán học nhƣ đã biết phƣơng pháp để xác định các điểm đó (hình 1.8) nhƣ sau:
N N
N
N
Hình 1.8. Các điểm đặc biệt.
Nếu mặt cong cho theo phƣơng trình F(x,y,z) = 0, thì toạ độ các điểm đặc
biệt phải thoả mãn hệ phƣơng trình sau:
0
0
0
)(
)(
)(
1
1
1
t
z
F
x
F
(1.16)
thì điểm M(x
1
, y
1
, z
1
) là điểm kì dị (cônic); các tiếp tuyến đi qua điểm M không
cùng nằm trong một mặt phẳng, mà lập nên một mặt nón bậc hai có phƣơng
trình:
0).(
).(
.
2)).((
.
2)).((
.
2)()(
222
2
2
2
2
(Ở đây các đạo hàm tính đối với điểm M); nếu sáu đạo hàm riêng cấp hai đồng thời
bằng không thì điểm kì dị sẽ là điểm thuộc loại phức tạp hơn ( hình nón bậc ba hay
bậc cao hơn).
Mặt kẻ và mặt khả triển:
Mặt cong đƣợc gọi là mặt kẻ, nếu nó nhận đƣợc từ những vết của một đƣờng thẳng
chuyển động; nếu thêm vào đó, mặt cong có thể triển khai thành mặt phẳng thì nó
đƣợc gọi là mặt khả triển. Không phải mọi mặt kẻ là mặt khả triển (chẳng hạn, mặt
hypeboloide một tầng và paraboloide hypeboloic) là những mặt kẻ mà không phải là
mặt khả triển. Tại mọi điểm của mặt khả triển, độ cong Gauxơ đều bằng không. Nếu
mặt cong đƣợc cho bởi phƣơng trình z = f(x,y) thì điều kiện để cho nó khả triển là:
r.t – s
2
= 0 (1.18)
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
24
Dụng cụ cắt thƣờng sử dụng trong phay tinh là các loại dao phay đầu cầu để gia
công các chi tiết bề mặt phức tạp nhƣ trên.
1.1.1.2. Các thông số hình học của dao phay đầu cầu
Trong thực tế có nhiều loại dao phay đầu cầu (với kết cấu, hình dáng và quy
cách khác nhau) nhƣng về mặt hình học của dao cơ bản là giống nhau đƣợc mô tả
trong hình 1.7.(a). Hệ toạ độ của dao là O
T
(1.19)
Nếu z > R
0
: R(z) = R
0
Góc
j
(z) là góc đo từ trục oy đến OP (P thuộc lƣỡi cắt thứ j), xác định theo công
thức:
2
( ) ( 1).
j
t
zj
N
rong đó: N
t
là số lƣỡi cắt.
là góc quay của dao từ trục O
T
Y
T
quay quanh trục Z
T
i z i
R
(1.22)
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
25
Hình 1.9 a): Hình học của dao phay đầu cầu
Hình 1.9 b). Hình học của lƣỡi cắt
Copyright: Tài liệu đại học ©