Nghiên cứu khả năng gia công các bề mặt phức tạp trên máy phay CNC 4 trục

Nghiên cứu quy trình công nghệ và lập trình gia công bề mặt phức tạp trên máy phay CNC 4 trục. Phân tích, ứng dụng CAD/CAM và chế tạo chi tiết mẫu.

• Người hướng dẫn: Ths. Trần Chí Thiên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí - Chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng gia công các bề mặt phức tạp trên máy phay CNC 4 trục
• Loại tài liệu: Công trình nghiên cứu khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Ứng Dụng Gia Công Bề Mặt Phức Tạp Trên Máy Phay CNC 4 Trục

Gia công bề mặt phức tạp trên máy phay CNC 4 trục đã trở thành một công nghệ quan trọng trong ngành chế tạo cơ khí hiện đại. Khác với máy CNC 3 trục truyền thống, máy CNC 4 trục có khả năng xoay chi tiết ở các góc độ khác nhau, cho phép gia công những bề mặt 3D phức tạp với độ chính xác cao. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các chi tiết có hình dạng đặc biệt như khuôn mẫu, thân tàu, cánh máy bay và các sản phẩm công nghiệp hiện đại. Việc nắm vững phương pháp lập trình gia công CNC 4 trục không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thời gian gia công đáng kể.

1.1. Sự Khác Biệt Giữa Máy CNC 3 Trục và Máy CNC 4 Trục

Máy phay CNC 3 trục chỉ có thể chuyển động theo ba phương chiều (X, Y, Z), hạn chế khả năng gia công các bề mặt nghiêng. Ngược lại, máy CNC 4 trục bổ sung một trục quay điều khiển (thường là trục A hoặc B), cho phép xoay chi tiết gia công hoặc công cụ cắt để tiếp cận bề mặt từ nhiều hướng khác nhau. Điều này cho phép gia công các bề mặt phức tạp 3D với chỉ một lần lắp đặt chi tiết, tăng độ chính xác và giảm chi phí sản xuất.

1.2. Lợi Ích Của Công Nghệ Gia Công CNC 4 Trục

Ưu điểm chính của gia công CNC 4 trục bao gồm: tăng độ chính xác hình học, giảm số lần lắp đặt chi tiết, cải thiện chất lượng bề mặt gia công, và khả năng chế tạo các sản phẩm phức tạp mà máy CNC 3 trục không thể thực hiện được. Công nghệ này giúp các nhà sản xuất cạnh tranh tốt hơn trên thị trường toàn cầu.

II. Cơ Cấu Trục Quay và Bàn Xoay Trên Máy Phay CNC 4 Trục

Cơ cấu trục quay là thành phần quan trọng nhất của máy phay CNC 4 trục, quyết định khả năng gia công các bề mặt phức tạp. Trục quay điều khiển có thể được lắp đặt theo nhiều cách khác nhau, phục vụ cho các yêu cầu gia công cụ thể. Bàn xoay (rotary table) là bộ phận cho phép chi tiết gia công quay quanh một trục cố định, tạo ra chuyển động phối hợp với ba trục tuyến tính X, Y, Z. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của bàn xoay và các loại trục quay giúp lập trình viên tối ưu hóa quy trình gia công và đạt được độ chính xác cao nhất.

2.1. Phân Loại Các Loại Trục Quay Điều Khiển

Có hai loại chính trục quay trên máy CNC: trục quay A (quay quanh trục X) và trục quay B (quay quanh trục Y). Một số máy CNC 4 trục hiện đại còn có trục quay C (quay quanh trục Z). Mỗi loại cơ cấu trục quay có ưu nhược điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

2.2. Vai Trò Của Bàn Xoay Trong Gia Công Bề Mặt Phức Tạp

Bàn xoay cho phép chi tiết gia công quay từ 0° đến 360°, thậm chí có thể vượt quá 360° để gia công bề mặt liên tục. Độ chính xác của bàn xoay ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Bàn xoay hiện đại có thể điều khiển bằng servo motor để đạt độ chính xác góc rất cao.

III. Công Cụ Hỗ Trợ Lập Trình Gia Công Bề Mặt Phức Tạp

Phần mềm CAM (Computer Aided Manufacturing) là công cụ không thể thiếu trong lập trình gia công CNC 4 trục. Những phần mềm như NX CAM, CATIA, và Mastercam cung cấp các chức năng mạnh mẽ để tạo ra đường dẫn dao (tool path) tối ưu cho bề mặt 3D phức tạp. Chu trình phay mặt phức tạp (Surface Milling) và chu trình phay theo đường dẫn (Trajectory Milling) là hai phương pháp chính được sử dụng. Các công cụ này giúp lập trình viên mô phỏng quá trình gia công trước khi thực hiện trên máy thực, tiết kiệm thời gian và giảm lỗi sai.

3.1. Chu Trình Phay Mặt Phức Tạp Surface Milling

Chu trình phay mặt phức tạp được sử dụng để gia công các bề mặt cong 3D. Phương pháp này tính toán đường dẫn dao tự động dựa trên hình dạng bề mặt, đảm bảo gia công toàn bộ bề mặt mà không bỏ sót phần nào. Phần mềm CAM sẽ tạo ra các lệnh G-code điều khiển máy CNC 4 trục chuyển động linh hoạt.

3.2. Chu Trình Phay Theo Đường Dẫn Trajectory Milling

Chu trình phay theo đường dẫn được áp dụng khi cần gia công theo một đường cong cụ thể trên bề mặt phức tạp. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác đường dẫn dao, phù hợp cho các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cực cao và chất lượng bề mặt tốt nhất.

IV. Quy Trình Lập Trình và Thực Hiện Gia Công Chi Tiết Mẫu

Quy trình lập trình gia công CNC 4 trục bao gồm nhiều bước cụ thể từ chuẩn bị bản vẽ cho đến gia công thực tế. Trước tiên, phải nhập bản vẽ 3D vào phần mềm CAM, sau đó thiết lập thông số công nghệ như tốc độ cắt, tốc độ quay dao, và chiều sâu cắt. Tiếp theo, lựa chọn công cụ cắt phù hợp và tạo đường dẫn dao tối ưu. Bước cuối là mô phỏng gia công để kiểm tra xung đột công cụ và độ chính xác trước khi thực hiện trên máy thực. Việc thực hiện đúng quy trình này đảm bảo chất lượng chi tiết và an toàn máy.

4.1. Thiết Lập Thông Số Công Nghệ và Gia Công

Thông số công nghệ bao gồm tốc độ cắt (cutting speed), tốc độ quay dao (spindle speed), tốc độ tiến (feed rate), và chiều sâu cắt (depth of cut). Những thông số này phải được tính toán dựa trên loại vật liệu, loại công cụ, và bề mặt gia công. Việc chọn sai thông số công nghệ có thể gây hỏng công cụ, mặt gia công xấu, hoặc thậm chí hỏng máy.

4.2. Mô Phỏng và Kiểm Tra Trước Gia Công Thực Tế

Mô phỏng gia công (simulation) là bước rất quan trọng trước khi thực hiện trên máy CNC 4 trục thực tế. Phần mềm CAM cho phép kiểm tra xung đột giữa công cụ và chi tiết, xung đột giữa công cụ và bàn máy, và đánh giá chất lượng bề mặt gia công. Nếu phát hiện lỗi, có thể sửa chữa chương trình ngay mà không phí vật liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC TRỤC QUAY ĐIỀU KHIỂN TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC 1. KHÁI QUÁT VỀ GIA CÔNG BẰNG TRỤC QUAY ĐIỀU KHIỂN TRONG MÔI TRƯỜNG PHAY Gia công bằng trục quay trong môi trường phay chính là sự kết hợp mọi chuyển động trên hệ trục tọa độ Decartes để ngoài việc phay những bề mặt thường gặp như ở máy phay truyền thống, nó còn có thể gia công những bề mặt phức tạp khác. Nói một cách khác rằng đây là sự kết hợp các hình thức gia công giữa máy phay và máy tiện. Khi gia công trên trục xoay, chuyển động tạo hình được kết hợp từ ba chuyển động thành phần tạo nên.

Như đã biết trong hệ trục tọa độ Decartes bao gồm sáu chuyển động thành phần, đó là ba chuyển động tịnh tiến theo các trục X, Y, Z và ba chuyển động quay quanh các trục này. Trên các trung tâm gia công CNC hiện đại, người ta gọi các chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z tương ứng là A, B, C.1 Hệ trục tọa độ Việc gia công trên trục xoay chính là sự kết hợp giữa các chuyển động tịnh tiến và các chuyển động xoay (trên máy phay CNC). Vì vậy đây là dạng chuyển động tạo hình phức tạp. Xét ví dụ dưới đây, để phay được rãnh xoắn ốc xung quanh bề mặt trụ cần có các chuyển động là: phôi tịnh tiến dọc trục X và quay quanh trục A, dao tịnh tiến và quay quanh trục Z.

Với các các đặc trưng trên, việc gia công trên trục xoay cho phép chúng ta giải quyết nhiều trường hợp mà không thể thực hiện được trên các máy công cụ truyền thống như máy tiện, máy phay, … Ví dụ: gia công cam thùng, gia công nhiều bề mặt trên cùng một chi tiết mà không cần phải thay đổi đồ gá, … 1. BÀN XOAY TRÊN MÁY CNC Nhằm mở rộng khả năng công nghệ của máy công cụ, nhất là cho các máy CNC 2 hoặc 3 trục, người ta đã chế tạo một thiết bị có khả năng tăng số trục của máy từ 2 hoặc 3 trục thành các máy 4 hoặc 5 trục. Thiết bị đó chính là bàn xoay (Rotary Table). Thực ra bàn xoay chẳng qua là một loại đồ gá đặc biệt và chúng chủ yếu được sử dụng trên các máy phay CNC, trung tâm gia công đứng, trung tâm gia công ngang và máy doa ngang.

Phân loại Bàn xoay trên máy phay CNC và các trung tâm gia công có thể được phân ra làm các loại như sau: a) Loại tiêu chuẩn: Là loại bàn xoay này dùng để gá đặt chi tiết sao cho tâm của chi tiết trùng với tâm trục chính. Có thể gia công được nhiều dạng bề mặt khác nhau như gia công mặt phẳng, gia công rãnh thẳng hoặc rãnh xoắn và gia công các mặt định hình với dao định hình, đôi khi dùng để cắt bánh răng với dao phay môđun. Loại bàn xoay tiêu chuẩn có thể phân ra làm hai loại :  Loại có trục chính nằm ngang.  Loại có trục chính thẳng đứng.

b) Loại bàn xoay có động cơ lắp phía sau: Loại bàn xoay này có khả năng hạn chế sự rung động khi máy đang làm việc. Loại động cơ này có thể che chắn nước và phoi vụn, không cho chúng rơi vào động cơ.2 Bàn xoay tiêu chuẩn trục Hình 1.3 Bàn xoay động cơ lắp phía nằm ngang sau c) Loại bàn xoay có lỗ trục chính lớn: Loại bàn xoay này có trục chính có lỗ lớn, dùng để gia công các phôi dài hoặc các ống. Kích thước lỗ trục chính của chúng có khả năng được mở rộng để mở rộng phạm vi làm việc cho máy. Loại này thích hợp cho việc sản xuất hàng khối.

Tương tự như loại bàn xoay tiêu chuẩn, loại bàn xoay này cũng loại trục chính nằm ngang và loại trục chính thẳng đứng. d) Loại bàn xoay có nhiều trục chính: Loại bàn xoay nhiều trục chính cho phép gá đặt cùng lúc nhiều chi tiết. Loại bàn xoay nhiều trục chính có năng suất gấp nhiều lần so với loại bàn xoay tiêu chuẩn, thích hợp cho sản xuất hàng loạt và hàng khối. Trang 8 Hình 1.4 Bàn xoay có lỗ trục Hình 1.5 Bàn xoay 4 trục chính chính lớn e) Loại bàn xoay nghiêng: Loại bàn xoay này có hai trục.

Bàn xoay có thể nghiêng đi nhờ xoay quanh được một trục nào đó. Do đó loại này có khả năng công nghệ cao, có thể sử dụng làm đồ gá để gia công các mặt phẳng, các rãnh các gờ lồi và đặt biệt là gia công các bề mặt nghiêng ở nhiều góc độ khác nhau. Loại bàn xoay này được phân ra hai loại như sau:  Loại điều khiển nghiêng bằng tay: chuyển động làm nghiêng trục được thực hiện bằng tay.5 Bàn xoay CNC điều khiển nghiêng Hình 1.4 Bàn xoay CNC điều khiển tự động nghiêng bằng tay  Loại điều khiển nghiêng tự động: cả hai trục của bàn xoay được điều khiển hoàn toàn tự động từ hệ thống CNC. f) Loại cỡ lớn: Ngoài các loại nêu trên, các nhà sản xuất bàn xoay còn chế tạo loại bàn xoay có kích thước bàn từ 1m đến 3m hoặc lớn hơn.

Loại bàn xoay này có trục chính thẳng đứng hoặc nằm ngang với độ chính xác cao. Chúng được dùng để gia công các chi tiết lớn, nặng (có thể lên đến 10.000kg) và cho các ứng dụng về đo lường. Lập trình gia công với bàn xoay CNC Bàn xoay thường được lắp trên các máy phay CNC hoặc trung tâm gia công. Đối với loại bàn xoay không nghiêng thì nó có vai trò như trục thứ 4 của máy.

Đối với loại bàn xoay nghiêng thì nó đóng vai trò như trục thứ 4 và thứ 5 của máy CNC. Trang 9 Hình 1.6 Các trục của bàn xoay và máy phay CNC Khi lập trình gia công cho máy CNC có sử dụng bàn xoay ta sử dụng câu lệnh có cú pháp như sau: A_. Câu lệnh này sẽ hướng dẫn trục A hoặc B của bàn xoay quay quay đi một góc nào đó.0: trục A của bàn xoay quay nhanh đến vị trí góc 90 độ theo chiều kim đồng hồ trong hệ tọa độ tuyệt đối.0: trục B của bàn xoay quay 180 độ theo ngược chiều kim đồng hồ từ vị trí hiện tại (hệ tọa độ tương đối). Ứng dụng của bàn xoay Bàn xoay CNC có tác dụng làm tăng thêm tính vạn năng cho máy CNC.

Đối với các bàn xoay 2 trục, nhờ khả năng nghiêng bàn xoay đi một góc nào đó, nên cho phép máy CNC 3 trục gia công được các bề mặt phức tạp như cánh tua bin, cánh chân vịt tàu thủy. Nói chung chúng có phạm vi sử dụng rất rộng, nhưng chủ yếu là dùng để gia công các chi tiết có các dạng bề mặt sau:  Mặt phẳng.  Các bề mặt định hình (như bề mặt cam, cối dập, khuôn ép …).  Cắt ren vít trong và ngoài.

 Gia công bánh răng và dao cắt nhiều lưỡi có răng thẳng hoặc xoắn.  Cắt rãnh thẳng và xoắn…  Các bề mặt nghiêng. Đối với bàn xoay nhiều trục, có thể tiến hành gia công cùng một lúc nhiều chi tiết. Điều này làm :  Tăng khả năng công nghệ của máy,.

 Tăng năng suất gia công.  Giảm thời tháo lắp và điều khiển dụng cụ.  Giảm thời gian gia công cơ bản. Một số kiểu mô hình bàn xoay Hình 1.7 Bàn xoay 4 trục (trục A) Hình 1.8 Bàn xoay 5 trục kiểu Head – Head Hình 1.9 Bàn xoay 5 trục kiểu Head - Table Hình 1.10 Bàn xoay 5 trục kiểu Table - Table Trang 11 CHƯƠNG 2 CÔNG CỤ HỖ TRỢ LẬP TRÌNH PHAY NHIỀU TRỤC 2.

SƠ LƯỢC VỀ PHAY NHIỀU TRỤC Trong quá khứ, để làm các hình cong của khuôn, người ta dùng máy phay chép hình. Ngày nay công nghệ CNC hiện đại và công nghệ CAD\CAM được sử dụng trong các máy phay CNC ba trục dùng cho công nghệ khuôn mẫu. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của công nghệ phay trên máy ba trục điều khiển CNC là phương của trục dụng cụ cắt luôn không đổi. Điều này thường dẫn đến chất lượng bề mặt kém, cũng như các bề mặt cong phân bố trên mặt trụ, mặt côn thì việc gia công trên máy CNC ba trục gặp nhiều khó khăn.

Từ yêu cầu thực tiển trên, các nhà sản xuất máy đã cho ra đời các máy CNC nhiều hơn 3 trục. Đặc điểm của công nghệ phay trên máy CNC nhiều hơn 3 trục là phương của dụng cụ cắt luôn luôn trùng với pháp tuyến của bề mặt tại điểm đang gia công. Máy CNC nhiều trục có thể gia công các bề mặt phức tạp đối diện nhau từ thô, bán tinh, tinh cho tới siêu tinh với chỉ một lần gá giúp gảm thiểu tối đa sai số gá đặt, giảm thiểu thời gian gia công nhờ loại bỏ được thời gian chuẩn bị máy, chuẩn bị đồ gá chuyên dụng, vận chuyển, gá đặt khi chuyển sang nhiều nguyên công khác nhau nếu không có CNC. Với những máy có độ chính xác cao, gia công tốc độ cao, gia công siêu tinh, CNC loại bỏ hoàn toàn bước xử lý bề mặt sau gia công bằng thủ công.

Ví dụ: Khi phay bề mặt cam sau.11 Đường chạy dao của máy 4 trục (trái) và 3 trục (phải) Nhận xét: Phay trên máy CNC 4 trục, bề mặt Phay trên máy CNC 3 trục, bề mặt được gia công bằng me dao (mặt hông được gia công bằng mặt đầu nên chất của dao) nên chất lượng bề mặt tốt hơn. lượng bề mặt kém hơn. CHU TRÌNH PHAY MẶT (SURFACE MILLING) 2.Giới thiệu về chu trình phay mặt Surface Milling Bất kỳ một bề mặt, một vùng trên bề mặt: nghiêng, mặt nằm ngang, mặt bằng phẳng hay lồi lõm, cong, đều có thể xử lý một cách hiệu quả bởi chu trình phay mặt (Surface Milling). Những bề mặt này phải hình thành nên những đường chạy dao liên tục.

Với chu trình phay mặt (Surface Milling) cho phép người sử dụng định nghĩa nhiều kiểu chạy dao khác nhau: - Straight cut: những đường chạy dao được hình thành trên bề mặt gia công là đường thẳng song song với các trục tọa độ X, Y, Z của chu trình hoặc hợp các trục tọa độ của chu trình những góc xác định. - From Surface Isolines: cho phép gia công cùng lúc nhiều bề mặt riêng lẻ có nhiều phương chạy dao khác nhau, mỗi bề mặt được chọn hình thành nên một phương chạy dao. - Cut line: đường chạy dao hình thành trên bề mặt được chọn bằng cách định nghĩa hình dạng của những đường chạy dao đầu, đường chạy dao cuối và những đường chạy dao trung gian đây được gọi là đường chạy dao chuẩn.