MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Công nghệ điều khiển số trên máy công cụ (Computer Numerical Control – viết tắt là CNC) được ra đời từ khoảng những năm 1940 [1] đã đánh dấu một bước nhảy vọt trong công nghiệp sản xuất. Việc ứng dụng máy CNC không những mang lại năng suất cao, chất lượng sản phẩm ổn định mà còn giải phóng được sức lao động của con người. Với việc các ngành khoa học điều khiển, công nghệ thông tin phát triển… các máy CNC càng trở nên mạnh mẽ hơn, điều đó cũng đồng nghĩa với việc các sản phẩm được chế tạo ra ngày càng phức tạp và tinh xảo.
Do những ưu điểm của các máy CNC khiến cho càng ngày càng có nhiều nghiên cứu nhằm nâng cấp máy CNC trở nên ngày càng hoàn thiện. Có hai hướng nghiên cứu chính để cải thiện các máy CNC là hướng nghiên cứu cải thiện phần cứng và hướng nghiên cứu cải thiện phần mềm. Hướng nghiên cứu cải thiện phần cứng để nâng cao năng suất khi gia công trên máy phay CNC như: Nghiên cứu về kết cấu máy [2], [3]… Nghiên cứu ảnh hưởng của rung động [4]–[6]… Nghiên cứu về dụng cụ cắt khi gia công [7], [8]… Nghiên cứu cải thiện các vi mạch điều khiển để cải thiện khả năng điều khiển của máy CNC… Kết quả của các công trình khoa học cũng như thực nghiệm theo hướng này đã đạt được nhiều thành công. Các máy CNC càng ngày càng có kết cấu hoàn thiện, khả năng công nghệ được nâng cao.
Qua đó năng suất cũng như chất lượng sản phẩm khi gia công trên các máy CNC có những cải thiện đáng kể góp phần không nhỏ vào sự phát triển của ngành công nghiệp gia công nói chung và gia công trên máy tự động nói riêng. Hướng nghiên cứu cải thiện phần mềm thường là cải tiến về hệ điều hành (chứa các bộ nội suy sử dụng cho tính toán các đường dụng cụ và các thông số trong quá trình gia công cũng như cải thiện khả năng giao tiếp giữa các phần cứng trên máy CNC thông qua các trình điều khiển driver). Các phương pháp nội suy mà các máy CNC thường sử dụng là nội suy tuyến tính hoặc nội suy theo cung tròn [9]. Ngày nay xu hướng nghiên cứu tập trung nhiều vào việc phát triển phần mềm để máy trở nên “thông minh” và “mạnh mẽ” hơn, Do đó các máy CNC ngày càng có tính linh hoạt, đáp ứng được nhiều yêu cầu gia công phức tạp hơn, đặc biệt là những chi tiết máy được thiết kế có chứa các bề mặt tự do.
Sự phát triển của máy CNC và những ưu điểm của nó kéo theo các lĩnh vực phục vụ cho hệ máy này cũng phát triển không ngừng đó là CAD (Computer Aided Design – Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) và 1 CAM (Computer Aided Manufacturing – Gia công có sự hỗ trợ của máy tính). CAD hỗ trợ khâu thiết kế trở nên nhanh, dễ dàng và chính xác hơn, CAM hỗ trợ khâu gia công, giải phóng con người khỏi các tính toán với khối lượng phép tính lớn và phức tạp hơn bởi các công thức nội suy tích hợp. Do vậy, lúc này năng suất cũng như độ chính xác khi chế tạo các sản phẩm có ứng dụng CAD/CAM/CNC không còn phụ thuộc hoàn toàn vào máy CNC nữa mà còn phụ thuộc cả vào các yếu tố khác nằm trong khâu thiết kế (có sử dụng CAD) và nằm trong khâu gia công (có sử dụng CAM). Hiện nay việc khai thác sử dụng các máy CNC cũng như các phần mềm CAD/CAM còn chưa hiệu quả, đặc biệt tại Việt Nam chủ yếu dựa trên các kinh nghiệm và các hướng dẫn sử dụng máy, dụng cụ của các hãng sản xuất.
Ví dụ việc lựa chọn dụng cụ cắt thế nào là hợp lý, chiến lược dẫn dụng cụ phù hợp nhất đối với bề mặt, các thông số chế độ cắt lựa chọn thế nào cho hợp lý… cũng sẽ ảnh hưởng lớn tới năng suất, chất lượng tạo hình các chi tiết có chứa bề mặt phức tạp. Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC trong sản xuất rất phổ biến không chỉ trên thế giới mà cả ở Việt Nam. Do những ưu điểm mà công nghệ này mang lại nên các nghiên cứu về CAD/CAM/CNC luôn luôn được nhiều nhà khoa học quan tâm. Hiện nay các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực CAD/CAM/CNC ở Việt Nam còn khá hạn chế.
Trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện năng suất, chất lượng sản phẩm khi gia công trên máy CNC. Tuy nhiên những vấn đề liên quan đến bề mặt cũng ít khi được đề cập trong các nghiên cứu này mà chủ yếu là các nghiên cứu về tính toán đường dụng cụ hoặc các chế độ cắt. Trong quá trình nghiên cứu, NCS nhận thấy rằng vấn đề lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý khi gia công các chi tiết có chứa mặt tự do vừa có tính khoa học và cũng có tính thực tiễn rất cao, có tiềm năng lớn để áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn và hội đồng đánh giá đề cương đã được trình bày, NCS đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục” 2.
Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2. Mục đích của đề tài Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt tự do trên máy CNC 3 trục nhằm đáp ứng được yêu cầu về độ chính 2 xác tạo hình bề mặt và giảm thời gian gia công so với phương pháp gia công mặt tự do truyền thống. Đối tượng nghiên cứu Luận án nghiên cứu phương pháp lựa chọn kích thước dụng cụ cắt và đường dụng cụ phù hợp khi gia công bề mặt tự do trơn trên máy CNC 3 trục. Để thực hiện nghiên cứu đối tượng đã đề ra, luận án đã được phân chia thành các nội dung sau: - Nghiên cứu về phương pháp biểu diễn toán học đường và mặt tự do.
- Nghiên cứu phương pháp tách một mặt tự do trơn thành các mảnh mặt tự do cục bộ dựa trên độ cong Gaussian (K) và độ cong trung bình (H), Thông qua bước tách mặt tự do trơn thành các mảnh mặt tự do cục bộ để xây dựng thuật toán và chương trình tính toán kích thước dụng cụ phù hợp nhất đối với từng phân vùng cục bộ sao cho đảm bảo độ chính xác tạo hình đối với từng mảnh mặt cục bộ đó và rút ngắn thời gian gia công. Qua đó sẽ lựa chọn các dụng cụ phù hợp để gia công một mặt tự do trơn (là mặt đơn hoặc mặt tự do trơn tập hợp từ một số mảnh mặt). - Nghiên cứu xây dựng đường ranh giới của từng mảnh mặt cục bộ nếu một mặt cong trơn được cấu thành từ nhiều hơn một mảnh mặt cục bộ (Mục đích của việc xác định đường ranh giới của mảnh mặt cục bộ để giới hạn vùng dụng cụ thực hiện chiến lược chạy dao). - Nghiên cứu ảnh hưởng của đường dụng cụ đến độ chính xác tạo hình bề mặt tự do.
- Đề ra giải pháp sinh đường dụng cụ hợp lý khi gia công vùng bề mặt tự do cấu trúc lõm. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau: - Quá trình gia công mặt tự do được thực hiện trên máy phay CNC 3 trục với dụng cụ cắt không thay đổi hướng trên toàn bộ quỹ đạo di chuyển trên bề mặt. - Dụng cụ cắt sử dụng trong gia công là dụng cụ tiêu chuẩn. - Vật liệu mẫu có độ cứng thấp để việc nghiên cứu tạo hình ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố về lực cắt và nhiệt qua đó có thể làm kết quả nghiên cứu bị sai lệch.
Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng, đánh giá kết quả. Cụ thể như sau: - Nghiên cứu các mô hình biểu diễn toán học đường, mặt tự do, các phép tính và thuật toán liên quan đến mặt tự do phục vụ cho đối tượng nghiên cứu trong luận án. - Xây dựng các chương trình trên Matlab2014b để mô phỏng, tính toán các nội dung liên quan trong luận án. Thiết kế các mẫu thực nghiệm trên CATIA V5R20, mô phỏng quá trình gia công để kiểm chứng phần tính toán lý thuyết.
- Xây dựng các mô hình thực nghiệm gia công trên máy phay CNC 3 trục và đo đạc các thông số trên máy đo 3 tọa độ. Xử lý số liệu và đánh giá kết quả lý thuyết và mô phỏng đã thực hiện trong luận án. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học - Phân tích được cấu trúc đường tự do, mặt tự do, cấu trúc file IGES trong biểu diễn đường tự do trong hệ thống CAD/CAM nhằm đưa ra giải pháp phân chia đường bao giới hạn các vùng bề mặt cục bộ theo các tiêu chí chọn trước. - Xây dựng các chương trình máy tính biểu diễn đường tự do, mặt tự do - Phân tích được ảnh hưởng của việc lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong gia công các vùng bề mặt tự do.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc lựa chọn dụng cụ thông qua độ cong Gauss và độ cong chính để đề xuất một phương án lựa chọn dụng cụ căn cứ vào việc tính toán bán kính cong nhỏ nhất theo hai phương chính và xác định đường dụng cụ hợp lý. - Đề xuất được một phương pháp xác định đường dụng cụ mới cho bề mặt cong tự do cấu trúc lõm dựa trên độ cong cục bộ của vùng bề mặt và chiều cao lượng dư để lại giới hạn. Ý nghĩa thực tiễn - Đã áp dụng vào gia công mẫu thử để thấy rõ hiệu quả trong việc giảm thời gian gia công và đảm bảo được độ chính xác tạo hình bề mặt tự do. - Kết quả nghiên cứu là cơ sở để phân tích lựa chọn dụng cụ có kích thước phù hợp theo từng vùng bề mặt cục bộ.
4 - Phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý khi gia công các mặt tự do thông qua việc phân vùng bề mặt trơn thành các vùng bề mặt cục bộ có ý nghĩa quan trọng đối với việc nâng cao năng suất và chất lượng tạo hình sản phẩm có chứa bề mặt tự do khi gia công trên máy CNC 3 trục. Các thuật toán và chương trình máy tính đã được xây dựng để thực hiện phương pháp lựa chọn dụng cụ hợp lý khi gia công tạo hình các bề mặt tự do. Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo khuôn mẫu.