Nghiên cứu ảnh hưởng của đường chạy dao đến lực cắt trong quá trình phay thô hốc
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG CHẠY DAO ĐẾN LỰC CẮT
TRONG QUÁ TRÌNH PHAY THÔ HỐC
Phạm Sơn Minh1, Huỳnh Đỗ Song Toàn1 và Võ Thanh Toàn1 vꢀ Bꢁi Chꢂn Thạnh1
1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TpHCM
TÓM TẮT: Lực cắt là yếu tố quan trọng nhất để đánh giá quá trình phay thô hốc. Lực cắt ảnh
hưởng đến độ chính xác gia công, nhiệt tạo ra trong suốt quá trình gia công, độ bền của dụng cụ
cắt. Mục tiêu của bài nghiên cứu này là khảo sát giá trị lực cắt sinh ra của bốn đường chạy dao là
zig zag, contour parallel, morph spiral và true spiral trên hai hình dạng hốc là hốc tròn và hốc
vuông. Thí nghiệm được thực hiện trên máy phay CNC đứng 3 trục kết hợp với eto đo lực cắt.
Kết quả chỉ ra rằng giá trị lực cắt tăng nhanh tại những vị trí vào dao bắt đầu quá trình phay, ở
các góc vùng gia công, tại những vị trí đường chạy dao đổi hướng. Bên cạnh đó, thời gian gia
công cũng được xem xét để đánh giá năng suất gia công của đường chạy dao. Với những đường
chạy dao có lực cắt biến động lớn thì cho thời gian gia công ngắn, năng suất cao.
Từ khóa: lực cắt, thời gian gia công, đường chạy dao, phay thô hốc.
1. GIỚI THIỆU
Phay hốc là quá trình cắt bỏ phần lớn vật liệu kim loại trong vùng giới hạn, phương pháp được
sử dụng rộng rãi nhất trong quá trình gia công CNC.
Trong quá trình phay hốc ngoài các yếu tố vận tốc cắt, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt thì đường
chạy dao ảnh lớn đến sự thay đổi của lực cắt sinh ra và thời gian khi gia công.
Với những chiến lượt chạy dao khác nhau hoặc ứng với hình dạng vùng gia công khác nhau thì
lực cắt sinh ra trong mỗi quá trình cũng khác nhau. Vì thế làm thế nào để chọn được đường chạy
dao phù hợp với hốc cần gia công mà lực cắt sinh ra trong suốt quá trình giảm xuống hoặc không
có sự thay đổi đột ngột là điều quan trọng nhất và giảm thời gian gia công cũng được xem xét.
Đó là mục đích chính của bài nghiên cứu.
2. KIẾN THỨC LIÊN QUAN
2.1. Đường chạy dao khi phay.
Đường chạy dao thể hiện chuổi liên tục những vị trí tọa độ của dao đi qua trong quá trình gia
công.[1] Đối với đường chạy dao phay thô chủ yếu để loại bỏ hầu hết vật liệu, chính xác và hiệu
quả nhất có thể. Trong đó thường dùng chu trình phay hốc, gồm 4 chiến lượt chạy dao sau:
Phương pháp chạy dao Zigzag cho phép dao cắt vật liệu theo cả hai chiều đi tới và quay
về.
Phương pháp chạy dao Contour parallel tạo ra những đường chạy dao song song theo
đường biên của hốc gia công.
Phương pháp chạy dao Morph spiral tạo ra đường chạy dao dựa theo đường biên của hốc
như Contour parallel nhưng có điểm khác là các đường chạy dao này không song song
với đường biên mà nó chạy từ tâm hốc ra biên hốc theo xu hướng xoắn ốc tiến về đường
biên của hốc, nhưng đây không phải là đường xoắn ốc tròn mà nó phụ thuộc vào hình
dạng hốc gia công.
Phương pháp chạy dao True spiral tạo ra đường chạy dao theo đường xoắn ốc, thường đi
từ tâm hốc ra đường biên.
2.2. Góc tiếp xúc khi phay.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Góc tiếp xúc (θ) : là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc l giữa dao và chi tiết (hình 1a).
Vì sự đa dạng cũng như mức độ phức tạp của đường chạy dao nên góc tiếp xúc của dao với phôi
tại những thời điểm khác nhau thì sẽ khác nhau. Vấn đề biến thiên góc tiếp xúc sẽ dẫn đến lực
cắt thay đổi trong suốt quá trình gia công này, và đây là điều không mong muốn.
Hình 1b thể hiện sự thay đổi góc tiếp xúc. Khi đường chạy dao là đường thẳng giá trị của
stepover (r) và góc tiếp xúc (θ) không đổi dẫn đến lực cắt không đổi trong suốt quá trình chạy
dao.Nhưng khi đường chạy dao đổi hướng (vào góc hốc gia công) thì góc tiếp xúc (θ) đột ngột
tăng lên trong khi stepover (r) vẫn không đổi, điều này làm cho lực cắt tăng lên tương ứng vì góc
tiếp xúc (θ) và lực cắt tỉ lệ thuận với nhau.[2].
2.3. Máy phay CNC và thiết bị đo lực cắt cho thực nghiệm.
Máy phay CNC 3 trục Makino FNC 106 ( hình 2a). Hành trình các trục XYZ: 1000x600x550
(mm). Tốc độ trục chính tối đa: 5000 vòng/ phút. Tốc độ chạy dao tối đa: 25000 mm/ phút. Thiết
bị sử dụng cho quá trình đo lực cắt: Tool Dynamometer milling: “FKM 2000” của hảng TeLC,
Đức, (hình 2b). Đây là thiết bị đo lực ba thành phần chuyên đo lực cắt cho mọi quá trình phay.
Đây là phiên bản được cải tiến dựa trên một phiên bản có trước. Giá trị đo được có thể đọc ở
nhiều thiết bị ngoại vi sử dụng kết nối tự động. Giới hạn đo của thiết bị theo ba trục Fx ,Fy, Fz là
± 3000 N. Độ chính xác là ± 1% [3]. Lực cắt của quá trình phay được đo thông qua phôi. Phôi
được kẹp trên thiết bị đo tương tự kẹp lên một eto.
3. TIẾN HÀNH THỰC NGHỆM
3.1. Giới hạn thực nghiệm
Với bài nghiên cứu này chúng ta sẻ khảo sát với hai loại hình dạng hốc cơ bản là hốc tròn và hốc
vuông vì nó thường gặp trong sản xuất thực tế.Bốn loại đường chạy dao khảo sát trên hai loại
hình dạng hốc là: đường chạy dao kiểu Zigzag, đường chạy dao kiểu Contour parallel, đường
chạy dao kiểu Morph spiral, đường chạy dao kiểu True spiral được thể hiện ở hình 3.
3.2. Bố trí thực nghiệm.
Vận tốc cắt V= 30m/phut, n = 1200 vong/phut.Tốc độ chạy dao: 100 mm/phut
Stepover 50% đường kính : 4mm. Chiều rộng cắt : b = 4mm.
Dao phay ngón hợp kim đường kính 8mm, Endmill: EDP17937 M.A.FORD.
Vật liệu thực nghiệm: Thép C45.
Kích thước phôi theo 3 chiều x y z lần lượt là 55x70x55mm.
3.3. Các bước thực nghiệm.
Hình 3 thể hiện các bước thực nghiệm đo lực cắt:
Gá thiết bị đo lên bàn máy và lắp phôi vào thiết bị đo, (hình 4a).
Lập trình đường chạy dao và chuyển code vào máy CNC, (hình 4b).
Gia công thực nghiệm, (hình 4c).
Hiển thị lực cắt lên máy tính, (hình 4d).
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.
4.1. Kết quả thực nghiệm.
Biểu đồ lực cắt khi phay hốc vuông của bốn loại đường chạy dao được thể hiện trong hình 5.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Thời gian gia công hốc vuông của mổi đường chạy dao được thể hiện trong hình 7.
Biểu đồ lực cắt khi phay hốc tròn với bốn loại đường chạy dao được thể hiện trong hình 6. Thời
gian gia công hốc tròn của mổi đường chạy dao được thể hiện trong hình 8.
4.2. Nhận xét.
Hình 5 cho thấy lực cắt khi gia công hốc vuông. Nhìn chung khi chạy dao theo kiểu Zig zag vẫn
cho lực cắt lớn đặt biệt là giai đoạn đầu của quá trình.Khi gia công với kiểu chạy dao Contour
parallel cho thấy những vị trí lực cắt tăng mạnh khi dao đổi hướng, tại những vị trí bắt đầu mỗi
đường contour hoặc khi dao vào góc. Với kiểu chạy dao Morph spiral thì cho thấy lực cắt sinh ra
thấp hơn nhưng vẫn còn hiện tượng lực cắt tăng tại nhiều vị trí khi dao đổi hướng.Với kiểu chạy
dao True spiral thì lực cắt sinh ra biến động đều đặn theo chu kì ở gian đoạn đầu quá trình và
giảm dần về cuối quá trình gia công.
Hình 6 thể hiện lực cắt khi gia công hốc tròn. Kiểu chạy dao Zig zag sinh ra lực cắt lớn hơn so
với các kiểu chạy dao còn lại. Lực cắt lớn tại nửa đầu quá trình gia công, nửa sau lực cắt giảm
chủ yếu gia công các phần kim loại còn lại dọc biên hốc. Kiểu chạy dao Contour parallel cho
thấy sự thay đổi đột ngột tại những vị trí bắt đầu những các đường contua, những vị trí còn lại
cho lực cắt thấp.Với kiểu chạy dao Morph spiral và True spiral thì lực cắt sinh ra tương tự, biến
động đều đặn theo chu kì và giảm dần về cuối quá trình gia công.
Về thời gian gia công được thể hiện trong hình 7 và hình 8 ta thấy đường chạy dao Contour
parallel cho thời gian gia công ngắn nhất với cả hai hình dạng hốc,đường chạy dao Morph spiral
cho thời gian gia công dài nhất. Đường chạy dao True spiral phù hợp với hốc tròn hơn so với hốc
vuông và với đường chạy dao Zig zag thì phù hợp với hốc vuông hơn so với hốc tròn.
4. KẾT LUẬN.
Qua việc khảo sát về lực cắt và thời gian của bốn đường chạy dao trên hai hình dạng hốc ta có
thể rút ra một số nhận xét sau:
Thứ nhất,khi phay thô hốc trên máy CNC nếu máy, dao, đồ gá tốt và cần yêu cầu về năng suất thì
nên chọn đường chạy dao Contour parallel vì sẽ giảm thời gian nhưng phải chấp nhận sự hao
mòn dao, rung động vì có sự thay đổi lực cắt đột ngột tại những vị trí bắt đầu các đường
contour.
Thứ hai, khi phay hốc với những loại vật liệu có độ cứng cao, chi tiết có lớp vỏ cứng được tạo ra
từ phương pháp đúc, rèn.. thì nên chọn đường chạy dao Morph spiral cho những hốc dạng đa
giác ( như hốc vuông, lục giác, chữ nhật…) vì sẽ cho lực cắt ổn định hơn trong quá trình gia
công. Với những hốc tròn thì ta có thể chọn đường chạy dao True spiral hoăc Morph spiral đều
cho lực cắt thay đổi ổn định theo chu kì nhưng nên ưu tiên chọn đường chạy dao True spiral vì
đường chạy dao này cho thời gian gia công ít hơn, chương trình code ngắn hơn so với đường
chạy dao Morph spiral.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lucy Wanja Kariuki, Optimization of pocket milling toolpath for chatter avoidance and
reduced machining time, Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology,
2017,pp 3-5.
[2] Erry Yulian Triblas Adesta, Muhammad Riza, M. Yuhan Suprianto and R. Hamidon, The
effect of tool path strategies on cutting temperature and cutting force during pocket milling
of aisi H13, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 11(1), 2016, pp 341.
[3] A.Kutschelis and Sohn, Dipl.-Ingenieure, Tool dynamometer milling,TeL, 1982, pp 23.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
[4] Hyun-Chul Kim, Optimum tool path generation for 2.5D direction-parallel milling with
incomplete mesh model, Journal of Mechanical Science and Technology, 24(5), 2010, pp
1019-1027.
[5] P.E. Romeroa , R. Doradoa, F.A. Diaza, E.M. Rubio, Influence of pocket geometry and tool
path strategy in pocket milling of UNS A96063 alloy, Procedia Engineering, 63, 2013, pp
523 – 531.
[6] Eyup Bagci – Ercument U. Yuncuoglu, The effects of milling strategies on forces, material
removal rate, tool deflection, and surface errors for the rough machining of complex
surfaces, Journal of Mechanical Engineering, 11(63), 2017, pp 643-656.
[7] Mebrahitom A., Rizuan D., M. Azmir and M.Nassif, Effect of high-speed milling tool path
strategies on the surface roughness of Stavax ESR mold insert machining, Materials Science
and Engineering, 114(012006), 2016, pp 1-6.
[8] Ugur Koklu and Gültekin Basmaci, Evaluation of toolpath strategy and cooling condition
effects on the cutting force and surface quality in micromilling operations, metals, 7(426),
2017, pp 1-11.
[9] Ammar,A. A.,Bouaziz, Z., Zghal, A., Modelling and simulation of the cutting forces for
2.5D pocket machining, Advances in Production Engineering and Management, 4(4), 2009,
pp 163-176.
[10] Lucy W. Kariuki, Prof. Eng. Bernard W. Ikua and Prof. George N. Nyakoe, Development
of a dynamic cutting force model for prediction of chatter vibration in pocket milling
operations, Journal of Sustainable Research in Engineering, 3(1), 2016, pp 1-7.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
INVESTIGATION THE EFFECT OF TOOLPATH STRATEGIES
ON CUTTING FORCE DURING POCKET MILLING
Pham Son Minh1, Huynh Đo Song Toan1 , Vo Thanh Toan1 and Bui Chan Thanh1
1HCMC University of Technology anh Education.
ABSTRACT: Cutting force is the most important factor to reflect the rough milling process.
Cutting force affects machining accuracy, heat generated during machining, durability of cutting
tools. The objective of this paper is to examine the shear forces generated by four toolpaths, zig
zag, contour parallel, morph spiral and true spiral on two pocket shapes, round and square. The
experiment was performed on a 3-axis vertical CNC milling machine combined with eto for
cutting force. The results show that the cutting force value increases rapidly at the positions in
the tool that start the milling process, at the corners of the pocket, at the position of the toolpath
changing direction. In addition, processing time is also considered to evaluate the productivity of
the toolpath. The toolpath has a large cutting force, giving a short machining time, high
productivity.
Key words: cutting force, machining time, milling toolpath , pocket milling.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Hình 1. Góc tiếp xúc và sự thay đổi góc tiếp xúc khi phay.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Hình 2. Máy phay CNC và thiết bị đo lực cắt cho thực nghiệm.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Hình 3. Bốn loại đường chạy dao trên hai loại hình dạng hốc.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Hình 4. Các bước thực nghiệm đo lực cắt
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Hình 5. Biểu đồ lực cắt khi phay hốc vuông với 4 đường chạy dao.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Hình 6. Biểu đồ lực cắt khi phay hốc tròn với 4 đường chạy dao.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Hình 7. Thời gian gia công hốc vuông.
Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo năm 2019
Hình 8. Thời gian gia công hốc tròn.
13 trang
09/01/2024
18080
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu ảnh hưởng của đường chạy dao đến lực cắt trong quá trình phay thô hốc", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_anh_huong_cua_duong_chay_dao_den_luc_cat_trong_qu.pdf
