Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TUỔI BỀN DAO PHAY CẦU KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY CNC 1. Đặc điểm hình học và chế độ cắt của dao phay cầu 1. Đặc điểm hình học dao phay cầu Trong ngành chế tạo máy nói chung, ngành cơ khí chính xác và ngành công nghiệp khuôn mẫu nói riêng thì có rất nhiều chi tiết có bề mặt phức tạp với vật liệu khó gia công như thép hợp kim có độ bền cao, thép chịu nhiệt, thép không gỉ, thép đã qua nhiệt luyện. Khi thực hiện gia công lần cuối những chi tiết trên thường sử dụng một số phương pháp như gia công bằng điện hoá, bằng siêu âm, bằng tia lửa điện hoặc phổ biến nhất là gia công phay trên máy CNC.
Trong hoạt động gia công tinh thì dao phay cầu (nhất là những loại lưỡi cắt được phủ các vật liệu CBN, TiAlN, TiN.) được dùng rộng rãi, cho phép gia công các bề mặt phức tạp đạt năng suất gia công cao hơn so với các phương pháp gia công phi truyền thống. Dao phay cầu có hai dạng phổ biến: loại liền khối và loại ghép mảnh. Đối với loại dao ghép mảnh, thông thường sử dụng cho dao có đường kính lớn, có mảnh ghép lưỡi cắt bằng hợp kim có độ cứng cao nên thường được sử dụng trong gia công thô và bán tinh. Dao phay cầu sử dụng trong gia công tinh thì đa phần có đường kính nhỏ (≤10 mm) và thường được chế tạo dạng liền khối.
Vì vậy để phù hợp với nội dung nghiên cứu về gia công tinh trên máy phay CNC nhiều trục, khi khảo sát đặc điểm hình học của dao phay cầu chỉ cần xét loại dao được chế tạo liền khối, đường kính phần đầu cầu đúng bằng đường kính thân dao và góc xoắn lưỡi cắt là không đổi. Thông số hình học dao phay cầu thể hiện như trên hình 1.1, hệ tọa độ 𝑂𝑥𝑦𝑧 có gốc O ngay tại đỉnh dao và trục 𝑂𝑧 hướng lên theo đường trục dao, từ đó có thể dễ dàng biểu diễn các thông số hình học bằng các biểu thức toán học. Hình bao của dao phay cầu có thể được coi là tạo thành bởi bề mặt hình trụ và một bề mặt chỏm cầu có cùng bán kính 𝑅0. Lưỡi cắt được coi là dạng xoắn ốc với góc xoắn không đổi được biểu thị là i0 [52] [58].1 Thông số hình học của dao phay cầu, (a)- hình học tổng thể, (b)- hình chiếu lên mặt phẳng 𝑂𝑋𝑌 Xét một điểm P nằm trên lưỡi cắt thứ 𝑗 có cao độ 𝑧 so với gốc O theo phương thẳng đứng, công thức tính bán kính cắt hiệu dụng 𝑅(𝑧) trên mặt phẳng Pa (mặt phẳng đi qua điểm P và song song mặt phẳng 𝑂𝑋𝑌) như (1.1) 𝑅(𝑧) = 𝑅0 ; 𝑛ế𝑢 𝑧 > 𝑅0 Công thức trên cho thấy tại phần chỏm cầu, bán kính cắt hiệu dụng 𝑅(𝑧) thay đổi từ giá trị 0 cho đến giá trị 𝑅0.
Tại đỉnh dao 𝑧 = 0 thì 𝑅(𝑧) = 0 vì vậy quá trình cắt không xãy ra tại đỉnh dao cầu. Xét trên mặt phẳng Pa, nếu dao phay cầu quay đi một góc là 𝜃 thì điểm 𝑃 được xác định theo góc 𝜓(𝜃, 𝑧) so với trục 𝑂𝑦 theo công thức (1.2) 𝑁𝑡 trong đó: 𝑁𝑡 là số lượng lưỡi cắt của dao; 𝜑(𝑧) là góc xoắn lưỡi cắt tại điểm P so với đỉnh dao (hình 1. Góc xoắn 𝜑(𝑧) tính theo công thức (1.3) 𝑅0 𝑅(𝑧) Như vậy là góc xoắn cục bộ 𝑖(𝑧) được viết theo công thức (1. Định hướng dao phay cầu Do đặc điểm cấu tạo đặc biệt của dao phay cầu, sự định hướng trục dao (tool orientation) ảnh hưởng lớn đến giá trị vận tốc cắt Vc của dao.
Trong khi đó, vận tốc cắt lại là thông số có ảnh hưởng rất quan trọng không chỉ đến chất lượng bề mặt mà còn đến quá trình mòn và tuổi bền dụng cụ.2, ⃗⃗) và pháp tuyến bề mặt chi tiết gia công (véc tơ góc θ tạo bởi trục dao (véc tơ Z ⃗⃗⃗) có thể phân tích thành hai thành phần: a) dọc theo hướng tiến dao (véc tơ F N ⃗⃗) gọi là góc tiếp dẫn θf (hay là góc dẫn – Lead angle) và b) vuông góc với hướng tiến dao (véc tơ ⃗C⃗) gọi là góc pháp dẫn θn (hay là góc lật – Tilt angle) [62].2 Định hướng dao phay cầu trên bề mặt gia công, (a)- nghiêng theo hướng tiến dao, (b)- nghiêng vuông góc hướng tiến dao Sự thay đổi giá trị của góc tiếp dẫn θf và góc pháp dẫn θn sẽ có các trường hợp định hướng đặc biệt như sau: - Trục dao vuông góc bề mặt gia công: 𝜃𝑓 = 0 và 𝜃𝑛 = 0 - Trục dao nghiêng theo hướng tiến dao: 𝜃𝑓 ≠ 0 và 𝜃𝑛 = 0 - Trục dao nghiêng vuông góc hướng tiến dao: 𝜃𝑓 = 0 và 𝜃𝑛 ≠ 0 - Trục dao nghiêng hỗn hợp: 𝜃𝑓 ≠ 0 và 𝜃𝑛 ≠ 0 Trong thực tế, trường hợp trục dao nghiêng hỗn hợp là phổ biến vì bề mặt chi tiết gia công bằng dao phay cầu phần lớn có bề mặt tự do phức tạp. Vận tốc cắt đối với dao phay cầu Trong các thông số chế độ cắt thì vận tốc cắt là thông số chịu ảnh hưởng bởi đặc trưng hình học của dao phay cầu nhiều nhất nên được ưu tiên phân tích. Khi gia công, thường ít khi phần lưỡi cắt tương ứng với đường kính lớn nhất của dao tham gia vào quá trình cắt gọt mà chỉ có một đoạn ngắn của lưỡi cắt tham gia cắt tại bán kính cắt hiệu dụng 𝑅𝑒𝑓 (effective cutting radius). Khi vị trí tương đối của lưỡi dao cắt với vùng tiếp xúc trên chi tiết gia công thay đổi liên tục, thì vật liệu bị cắt bỏ với những vận tốc cắt khác nhau, hơn nữa, khi chi tiết gia công được cắt bởi đoạn lưỡi cắt gần với đỉnh chỏm cầu, vận tốc cắt có giá trị gần bằng “không” dẫn đến mòn dao và giảm chất lượng bề mặt.
Do đó, việc xây dựng mô hình tính vận tốc cắt của dao phay cầu là rất cần thiết cho dự đoán khả năng gia công và lựa chọn chế độ cắt hợp lý.3 Quá trình gia công bề mặt tự do bằng dao phay cầu Khi gia công phay trên máy CNC, đường chạy dao (Toolpath) được tạo ra bởi phần mềm CAM là quỹ đạo các điểm tại tâm hình cầu của dao cầu và được gọi là đường vị trí dao CL (CL - Cutter Location), còn đường tiếp xúc dao CC (CC - Cutter Contact) là quỹ đạo các điểm tiếp xúc CC giữa lưỡi dao cầu và bề mặt chi tiết gia công. Vì lưỡi cắt dao phay cầu phân bố trên bề mặt hình chỏm cầu nên đường xúc dao cách xa so với đường vị trí dao một khoảng đúng bằng bán kính dao. Để đơn giản hóa, có thể coi như lăn một quả bóng trên bề mặt tự do theo đường CL, như trên hình 1.3 cho thấy vị trí điểm CC thay đổi liên tục nên vận tốc cắt tức thời cũng thay đổi liên tục khi gia công bằng dao phay cầu. 9 Việc tính toán vận tốc cắt của dao phay cầu khi gia công bề mặt tự do không đơn giản như đối với dao phay trụ vì vị trí điểm cắt trên lưỡi cắt cong của dao luôn thay đổi dọc theo bề mặt gia công.
Do đó, tùy thuộc vào từng trường hợp định hướng dao (theo mục 1.2) mà xác định đường kính cắt hiệu dụng để tính toán vận tốc cắt cho dao phay cầu. Trường hợp trục dao vuông góc bề mặt gia công Trường hợp trục dao vuông góc với bề mặt gia công, khi dao cắt chạy theo những đường song song sẽ tạo ra các đường gờ (phần vật liệu không bị cắt) trên bề mặt gia công. Lúc này đỉnh dao tham gia vào quá trình cắt và vận tốc cắt lớn nhất được xác định bằng bán kính cắt hiệu dụng 𝑅𝑒𝑓 (hình 1.4 Mô hình cắt trực giao của dao phay cầu Dao phay cầu có bán kính phần cầu là R thì bán kính cắt hiệu dụng 𝑅𝑒𝑓 phụ thuộc vào chiều sâu cắt 𝑎𝑝 (theo công thức (1. Khi gia công tốc độ trục chính không đổi thì vận tốc cắt hiệu dụng (effective cutting speed) 𝑉𝑐𝑒𝑓 phụ thuộc bán kính cắt hiệu dụng 𝑅𝑒𝑓 và được tính theo công thức (1.5) 1000 1000 trong đó: ap là chiều sâu cắt, 𝑛 là tốc độ quay trục chính.
Trường hợp trục dao nghiêng theo hướng tiến dao Khi trục dao nghiêng theo hướng tiến dao (hình 1.5-a) thì phần tiếp xúc dao với bề mặt gia công xa đỉnh dao, còn khi trục dao nghiêng ngược hướng 10 tiến dao (hình 1.5-b) thì phần đó gần đỉnh dao. Lưỡi cắt tiếp xúc với phôi gia công chỉ giới hạn trên đoạn lưỡi cắt làm việc (Active Cutting Segment – ACS), đoạn này được hình thành bởi chiều sâu cắt 𝑎𝑝. Xác định bán kính cắt hiệu dụng để tính toán được vận tốc cắt hiệu dụng theo công thức (1. 𝑠𝑖𝑛 (±𝜃𝑓 − 𝑎𝑐𝑜𝑠 ( )) 𝑅 trong đó: 𝑅𝑒𝑓1 là bán kính cắt hiệu dụng trên bề mặt đã gia công; 𝑅𝑒𝑓2 là bán kính cắt hiệu dụng trên bề mặt đang gia công.
Dấu “+” trong công thức ứng với trường hợp giá trị góc tiếp dẫn 𝜃𝑓 cùng chiều tiến dao, ngược lại dấu “-” ứng với góc 𝜃𝑓 ngược chiều tiến dao.5 Mô hình cắt dao phay cầu nghiêng theo góc dẫn, (a)- nghiêng theo hướng tiến dao, (b)- nghiêng ngược hướng tiến dao Theo công thức (1.6), giá trị bán kính cắt hiệu dụng 𝑅𝑒𝑓1 trên bề mặt đã gia công không phụ thuộc vào hướng tiến dao. Như vậy đối với giá trị góc tiếp dẫn 𝜃𝑓 là âm hay dương thì giá trị 𝑅𝑒𝑓1 không thay đổi. Sau khi xác định bán kính cắt hiệu dụng, giá trị vận tốc cắt hiệu dụng đối với dao phay cầu khi nghiêng theo góc tiếp dẫn θf được tính như công thức (1. 𝑠𝑖𝑛 (±𝜃𝑓 − 𝑎𝑐𝑜𝑠 ( )) 𝑅 𝑉 = { 𝑐𝑒𝑓2 1000 11 Theo công thức (1.7), với cùng giá trị góc nghiêng của góc tiếp dẫn θf , ⃗⃗ (hình 1.5-a) thì vận tốc cắt hiệu dụng có giá nghiêng theo cùng chiều tiến dao F trị lớn hơn trường hợp nghiêng ngược chiều tiến dao ⃗F⃗.
Đó là cơ sở lựa chọn hướng nghiêng trục dao sao cho giá trị vận tốc cắt hiệu dụng hợp lý. Trường hợp trục dao nghiêng vuông góc hướng tiến dao Nghiêng trục dao vuông góc hướng tiến dao (hay nghiêng trục dao theo góc pháp dẫn 𝜃𝑛 ) thì giá trị bán kính cắt hiệu dụng 𝑅𝑒𝑓1 và 𝑅𝑒𝑓2 lại phụ thuộc vào chiều dịch chuyển dao ngang 𝑎𝑒 (véc tơ ⃗C⃗ hình 1. Trong gia công tinh, giá trị 𝑎𝑒 được chọn rất nhỏ, nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của chiều cao những đường gờ nổi còn lại giữa hai đường chạy dao.