Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chính xác, việc gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp ngày càng trở nên phổ biến và đòi hỏi công nghệ tiên tiến để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả sản xuất. Theo ước tính, các chi tiết cơ khí hiện đại thường có nhiều bề mặt cong, hình học phức tạp như mặt phẳng, mặt tròn xoay, mặt nón và các bề mặt tự do. Công nghệ gia công truyền thống trên máy phay 2 hoặc 3 trục không thể đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác và chất lượng bề mặt đối với các chi tiết này. Do đó, máy phay 5 trục với khả năng điều khiển đồng thời 5 trục chuyển động đã trở thành giải pháp tối ưu trong gia công các chi tiết phức tạp.

Luận văn “Nghiên cứu gia công chi tiết phay ứng dụng máy phay 5 trục UCP” được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 1 đến tháng 11 năm 2013 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm nghiên cứu và ứng dụng công nghệ gia công trên máy phay 5 trục Mikron UCP. Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển quy trình công nghệ gia công, lập trình và thực hiện gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao, giảm sai số và thời gian gia công so với phương pháp truyền thống.

Nghiên cứu tập trung vào các giải thuật tính toán đường chạy dao, phương pháp lập trình gia công 5 trục đồng thời, ứng dụng phần mềm CAM Esprit 2010 hỗ trợ lập trình và mô phỏng gia công. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc nâng cao chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, đồng thời có giá trị thực tiễn lớn trong sản xuất cơ khí chính xác, đặc biệt là các chi tiết có bề mặt cong phức tạp như cánh tuabin và chi tiết impeller. Đây cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho ngành công nghệ tự động và cơ khí máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết đường cong Bezier và B-Spline: Đây là các phương trình toán học dùng để mô hình hóa các bề mặt cong tự do trong thiết kế CAD, giúp mô tả chính xác hình dạng chi tiết phức tạp.
  • Giải thuật tính toán đường chạy dao: Bao gồm phương pháp đằng phẳng (drive surface method) và phương pháp đẳng tham số (parametric method) để xác định quỹ đạo chuyển động của dao cắt trên bề mặt chi tiết.
  • Mô hình lập trình gia công 5 trục: Phân biệt giữa lập trình gia công vị trí (3+2 trục) và lập trình gia công 5 trục đồng thời, trong đó 5 trục chuyển động phối hợp để tạo ra đường chạy dao phức tạp.
  • Khái niệm về chuẩn gia công (datum setting): Thiết lập hệ tọa độ phôi và máy, bao gồm chuẩn lập trình G54-G59 và chuẩn tùy biến G52, G92, giúp định vị chính xác chi tiết trên máy CNC.
  • Chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công: Đánh giá dựa trên các thông số như chiều cao nhấp nhô bề mặt (cusp height), dung sai gia công và ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, các phần mềm CAD/CAM (Autodesk Inventor 2011, Esprit 2010), và thực tế gia công trên máy phay 5 trục Mikron UCP tại Trung tâm Công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phương pháp phân tích:
    • Phân tích toán học các giải thuật tính toán đường chạy dao.
    • Mô phỏng lập trình và kiểm tra chương trình NC bằng phần mềm Cimco và Esprit 2010.
    • Thực hiện các thí nghiệm gia công chi tiết phay trên máy 5 trục, đo đạc và kiểm tra kích thước, chất lượng bề mặt.
  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trong 11 tháng (01/2013 – 11/2013), với các chi tiết điển hình như chi tiết chốt gài, cánh xoắn tuabin và impeller. Các bước gồm thiết kế chi tiết, lập trình thủ công và tự động, gia công thử nghiệm và đánh giá kết quả.
  • Lý do lựa chọn phương pháp: Phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm giúp đảm bảo tính khả thi và ứng dụng thực tế của quy trình gia công trên máy phay 5 trục, đồng thời khai thác tối đa khả năng của phần mềm CAM và hệ điều khiển Heidenhain.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Gia công chi tiết phức tạp trên máy phay 5 trục Mikron UCP đạt độ chính xác cao
    Thí nghiệm gia công chi tiết impeller với kích thước phôi 50x100 mm, sử dụng dao phay EM6 và Ball4 cho thấy độ sai số kích thước sau gia công nằm trong khoảng 0.01 mm, vượt trội so với gia công trên máy 3 trục truyền thống. Độ bóng bề mặt đạt Ra < 0.4 µm, giảm thời gian gia công khoảng 20% so với phương pháp cũ.

  2. Phương pháp lập trình 5 trục đồng thời với phần mềm Esprit 2010 giúp tối ưu hóa đường chạy dao
    Việc sử dụng các chu trình gia công 5 trục như 5-Axis Ruled Swarf, 5-Axis Composite và 5-Axis Impeller đã giảm thiểu va chạm giữa dao, phôi và đồ gá, đồng thời nâng cao hiệu quả cắt gọt. Mô phỏng chương trình NC bằng phần mềm Cimco cho thấy tỷ lệ lỗi lập trình giảm dưới 2%, đảm bảo an toàn vận hành.

  3. Ảnh hưởng của dung sai gia công trong phần mềm CAM đến chất lượng bề mặt
    Khi dung sai cho phép trong phần mềm CAM giảm từ 0.4 mm xuống 0.008 mm, số lượng lệnh NC tăng gấp 5 lần, bề mặt gia công trở nên mịn hơn rõ rệt. Tuy nhiên, thời gian gia công cũng tăng lên khoảng 30%, đòi hỏi cân nhắc giữa chất lượng và hiệu suất.

  4. Lập trình thủ công và tự động có thể kết hợp hiệu quả trong gia công nhiều mặt trên cùng chi tiết
    Quy trình gia công chi tiết 3+2 trục kết hợp với lập trình tự động trên phần mềm Esprit 2010 giúp giảm số lần gá đặt phôi, tăng độ chính xác và giảm sai số tổng thể. Ví dụ, chi tiết chốt gài được gia công với 7 bước công nghệ, mỗi bước có chế độ cắt và dao phù hợp, đảm bảo chất lượng và tiến độ.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy máy phay 5 trục Mikron UCP với hệ điều khiển Heidenhain 530 có khả năng gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác và chất lượng bề mặt vượt trội so với máy 3 trục. Nguyên nhân chính là do khả năng điều khiển đồng thời 5 trục, giúp dao cắt luôn giữ góc tiếp xúc tối ưu với bề mặt chi tiết, giảm sai số và tăng độ bóng.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, luận văn đã bổ sung phần giải thuật tính toán đường chạy dao 5 trục dựa trên mô hình toán học Bezier và B-Spline, đồng thời ứng dụng phần mềm Esprit 2010 để lập trình và mô phỏng, điều mà các nghiên cứu trước đây chưa thực hiện đầy đủ. Việc kiểm tra và mô phỏng chương trình NC bằng phần mềm Cimco cũng giúp giảm thiểu rủi ro va chạm và lỗi lập trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh độ sai số kích thước và độ bóng bề mặt giữa gia công 3 trục và 5 trục, bảng thống kê thời gian gia công và số lượng lệnh NC theo dung sai gia công, cũng như hình ảnh mô phỏng đường chạy dao và chi tiết sau gia công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi công nghệ gia công 5 trục trong sản xuất các chi tiết phức tạp
    Các doanh nghiệp cơ khí nên đầu tư và khai thác máy phay 5 trục Mikron UCP hoặc tương đương để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thời gian gia công và tăng năng suất. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6-12 tháng.

  2. Đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên vận hành và lập trình CNC 5 trục
    Tổ chức các khóa đào tạo về lập trình 5 trục, sử dụng phần mềm CAM Esprit 2010 và kỹ năng kiểm tra chương trình NC nhằm nâng cao tay nghề, giảm thiểu sai sót trong quá trình gia công. Chủ thể thực hiện là các trung tâm đào tạo nghề và phòng kỹ thuật doanh nghiệp.

  3. Tối ưu hóa quy trình lập trình và kiểm tra chương trình NC bằng phần mềm mô phỏng
    Khuyến khích sử dụng phần mềm mô phỏng như Cimco để kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình NC trước khi gia công thực tế, giảm thiểu rủi ro va chạm và lỗi gia công. Thời gian áp dụng ngay trong các dự án gia công hiện tại.

  4. Nghiên cứu tiếp tục về giải thuật tính toán đường chạy dao và tối ưu hóa chế độ cắt
    Đề xuất các nghiên cứu sâu hơn về thuật toán sinh quỹ đạo chạy dao 5 trục, kết hợp trí tuệ nhân tạo để tự động hóa lập trình và tối ưu hóa chế độ cắt nhằm nâng cao hiệu quả gia công. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và học viên cao học ngành cơ khí chế tạo máy và tự động hóa
    Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ gia công 5 trục, phương pháp lập trình và ứng dụng phần mềm CAM, giúp nâng cao năng lực nghiên cứu và thực hành.

  2. Kỹ sư lập trình và vận hành máy CNC trong các doanh nghiệp cơ khí chính xác
    Tài liệu hướng dẫn chi tiết quy trình lập trình, kiểm tra và vận hành máy phay 5 trục, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lỗi trong sản xuất.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy
    Luận văn là nguồn tham khảo quý giá để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo, đồng thời làm tài liệu giảng dạy về công nghệ gia công đa trục.

  4. Các doanh nghiệp sản xuất chi tiết máy có yêu cầu cao về độ chính xác và bề mặt
    Tham khảo để áp dụng công nghệ gia công 5 trục, tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy phay 5 trục khác gì so với máy 3 trục trong gia công chi tiết?
    Máy phay 5 trục có thêm 2 trục xoay giúp điều chỉnh hướng dao cắt linh hoạt, cho phép gia công các bề mặt phức tạp với độ chính xác và chất lượng bề mặt cao hơn, đồng thời giảm số lần gá đặt phôi.

  2. Phần mềm Esprit 2010 hỗ trợ gì trong lập trình gia công 5 trục?
    Esprit 2010 cung cấp các chu trình gia công 2D, 3D và 5D, hỗ trợ thiết lập máy, chọn dao, mô phỏng đường chạy dao và xuất chương trình NC, giúp lập trình nhanh chóng và chính xác.

  3. Làm thế nào để kiểm tra chương trình NC trước khi gia công thực tế?
    Có thể sử dụng phần mềm mô phỏng như Cimco để kiểm tra quỹ đạo chạy dao, phát hiện va chạm và lỗi lập trình, từ đó chỉnh sửa kịp thời trước khi truyền chương trình xuống máy CNC.

  4. Dung sai gia công ảnh hưởng thế nào đến thời gian và chất lượng gia công?
    Dung sai nhỏ giúp bề mặt gia công mịn hơn nhưng làm tăng số lượng lệnh NC và thời gian gia công. Cần cân nhắc giữa yêu cầu chất lượng và hiệu suất sản xuất để chọn dung sai phù hợp.

  5. Có thể áp dụng quy trình gia công 5 trục cho các chi tiết đơn giản không?
    Có thể, nhưng thường không cần thiết do chi phí và thời gian lập trình cao hơn. Gia công 5 trục phù hợp nhất với các chi tiết có bề mặt phức tạp hoặc yêu cầu độ chính xác cao.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ gia công chi tiết phay trên máy phay 5 trục Mikron UCP, nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết phức tạp.
  • Phương pháp lập trình 5 trục đồng thời kết hợp phần mềm Esprit 2010 giúp tối ưu hóa đường chạy dao, giảm thiểu va chạm và lỗi lập trình.
  • Kết quả gia công chi tiết impeller và chốt gài cho thấy sai số kích thước dưới 0.01 mm và độ bóng bề mặt đạt Ra < 0.4 µm, giảm thời gian gia công khoảng 20%.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi công nghệ 5 trục, đào tạo kỹ thuật viên và sử dụng phần mềm mô phỏng để nâng cao hiệu quả sản xuất.
  • Các bước tiếp theo bao gồm nghiên cứu giải thuật tối ưu đường chạy dao và phát triển tự động hóa lập trình CNC 5 trục, đồng thời chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất.

Hãy bắt đầu áp dụng công nghệ gia công 5 trục để nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm ngay hôm nay!