Một phương pháp thiết lập đường chạy dao gia công cho máy phay vạn năng CNC ba trục - Ứng dụng vào lập trình gia công bề mặt răng thân khai của bánh răng nón răng thẳng

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 MỘT PHƯƠNG PHÁP THIẾT LẬP ĐƯỜNG CHẠY DAO GIA CÔNG CHO MÁY PHAY VẠN NĂNG CNC BA TRỤC - ỨNG DỤNG VÀO LẬP TRÌNH GIA CÔNG BỀ MẶT RĂNG THÂN KHAI CỦA BÁNH RĂNG NÓN RĂNG THẲNG A METHOD TO CONSTRUCT TOOL PATHS FOR 3-AXES CNC NIVERSAL MILLING MACHINE - APPLICATION TO MANUFACTURE STRAIGHT EVEL GEARS’ INVOLUTE SURFACE LÊ CUNG - BÙI MINH HIỂN Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo giới thiệu một phương pháp thiết lập tự động các đường chạy dao theo yêu cầu công nghệ trên ngôn ngữ G-Code sử dụng cho máy phay CNC vạn năng 3 trục. Phương pháp trình bày giúp thiết lập tự động các chương trình gia công theo mã lệnh G-Code nhằm gia công bề mặt phức tạp, ứng dụng cụ thể vào việc gia công bề mặt thân khai của bánh răng nón răng thẳng trên máy phay vạn năng CNC 3 trục. ABSTRACT The article deals with a method to produce the tool paths for 3-axes universal CNC milling machines on G-Code language according to technological requires. This method contributes to the automatic establishment of G-Code program in order to manufacture the complicated surfaces, for application in the manufacturing of involute surfaces in straight bevel gears. 1. Đặt vấn đề Hiện nay, các máy phay CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong gia công cơ khí và cho phép gia công các bề mặt khá phức tạp với độ chính xác cao. Việc gia công các bề mặt phức tạp trên máy CNC vạn năng sử dụng phương pháp SSM (sculptured surface machining), bằng cách thực hiện các đường chạy dao bám theo bề mặt gia công. Để gia công các bề mặt thân khai của bánh răng, người ta thường sử dụng các máy CNC cũng như dụng cụ cắt chuyên dùng. Việc sử dụng thiết bị chuyên dùng cho phép đạt độ chính xác và năng suất cao. Tuy nhiên, máy móc và dụng cụ cắt chuyên dụng khá đắt tiền, việc trang bị thiết bị nhưng không sử dụng hết năng suất, sẽ gây lãng phí lớn. Với những xưởng sửa chữa nhỏ, chỉ trang bị máy phay vạn năng CNC 3 trục hoặc 3 ½ trục và vấn đề năng suất gia công không phải là chỉ tiêu hàng đầu thì phương pháp SSM tỏ ra có hiệu quả trong gia công bề mặt thân khai, nhất là trong các bánh răng có mođun lớn. Ngoài ra, phương pháp SMM sử dụng trong gia công bề mặt thân khai của bánh răng cũng có một số ưu điểm: sử dụng các loại dao cụ vạn năng, rẻ tiền; có thể gia công được các bề mặt thân khai trong một dải kích thước và chủng loại rộng rãi; có thể gia công được bề mặt thân khai của bánh răng có đường kính lớn đến rất lớn, bánh răng phi tiêu chuẩn, bánh răng được tối ưu hóa đường cong chân răng nhằm tăng độ bền uốn của răng… 10 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 Chính vì vậy, trong những năm gần đây, việc nghiên cứu công nghệ gia công bề mặt thân khai trên các máy vạn năng CNC 3 trục hoặc 3 ½ trục theo phương pháp SMM được nhiều tác giả [1], [2], [3], [4] quan tâm nghiên cứu. Để gia công bề mặt thân khai, cần thực hiện các đường chạy dao phù hợp. Hiện nay, các phần mềm CAD/CAM/CNC như Pro/Engineering, Catia, Hypermill... đều cho phép thiết lập tự động các đường chạy dao. Tuy nhiên, các đường chạy dao có sẵn đôi khi chưa thật sự phù hợp với yêu cầu của công nghệ. Do vậy, việc nghiên cứu phương pháp thiết lập các đường chạy dao phù hợp, nhằm gia công các bề mặt phức tạp, ứng dụng cụ thể vào việc gia công bề mặt thân khai của bánh răng, thông qua việc lập chương trình theo tham số trên mã lệnh G-Code, cũng cần được quan tâm nghiên cứu. Và đây cũng chính là mục tiêu của bài báo này. Hình 1 : Đường chạy dao gia công bề mặt thân khai 2. Phương pháp thiết lập đường chạy dao theo ngôn ngữ G-Code để gia công bánh răng nón răng thẳng Để thiết lập đường chạy dao gia công một bề mặt phức tạp, trước hết cần nghiên cứu hình học bề mặt, từ đó xây dựng phương trình đường chạy dao bám theo bề mặt gia công. Bài báo chỉ giới hạn ở việc thiết lập đường chạy dao để gia công tinh bề mặt thân khai cầu trong bánh răng nón răng thẳng. 2.1. Mô hình bánh răng nón răng thẳng và phương trình gia công bề mặt răng Phương trình gia công bề mặt răng thân khai trong bánh răng nón răng thẳng, hay phương trình các đường chạy dao, dựa trên phương trình đường thân khai vòng tròn. Hình 1 mô tả các đường chạy dao phù hợp để gia công một răng của bánh răng nón răng thẳng [2]. Để viết được phương trình gia công, ta mô hình hóa bánh răng nón răng thẳng bằng tập hợp các bánh răng trụ tròn răng thẳng tương đương có bề rộng là Fm (hình 2). Môđun của bánh răng tương đương thứ j, có tâm là O2j : O Bánh răng tương đương d C thứ j df YÄ g f X 0 max rj mFj x C O2 j y O2max ef max ebmax emax eamax Hình 2 : Mô hình bánh răng nón răng thẳng 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 (A -Fj ).dC ej A .Z.cosd (1) Trong đó: dC: đường kính vòng chia ngoài của bánh răng nón, AC: chiều dài nón ngoài, Fj: khoảng cách từ bánh răng tương đương, có tâm là O2max và có môđun lớn nhất, đến bánh răng tương đương đang xét, Z: số răng của bánh răng nón. Các thông số khác của bánh răng tương đương thứ j : ej = cosd ; ebj = ej.cosa (2) efj = eaj −2,25.mj; eaj = ej +mj Trong đó : rj : bán kính vòng chia của bánh răng nón tại vị trí ứng với bánh răng tương đương thứ j; rej, rebj, reaj và refj lần lượt là bán kính vòng chia, vòng cơ sở, vòng đỉnh và vòng chân của bánh răng tương đương thứ j; : góc nón chia, : góc áp lực a = 200 , mj : mođun của bánh răng nón xét trên mặt nón phụ thứ j. 2.2. Phương trình gia công cho biên dạng răng thân khai Để tiến hành gia công bề mặt thân khai bằng phương pháp SSM, ta sử dụng dao phay ngón đầu cầu (ball mill) có bán kính Re. Phương trình tham số của biên dạng thân khai phía phải của bánh răng trụ răng thẳng tương đương thứ j, hay tọa độ (xM , yM )của một điểm M bất kỳ trên biên dạng này xét trong mặt phẳng O2jxy, có thể viết như sau (hình 3) : ⎧xM = rxj cos(invax ) ⎩yM = rxj cos(invax ) exj ebj x x x x y Đường thân khai phải (3) Vòng tròn N cơ sở ebj exj O2 j x qx Re M Δry I yMr Dao phay ngón đầu cầu yM x xM Δrx xMr Hình 3 : Vị trí dụng cụ cắt trên đường thân khai phải Nếu kể đến bán kính dao Re, phương trình (3) trở thành : 12 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 ⎪xMr = rxj.cos(invax )+ Re.sin(ax +invax ) ⎪yMr = rxj.cos(invax )− Re.cos(ax +invax ) Trong đó : ax là tham số với : ax ∈[0, amax ] ; exj ∈[ ebj, eaj ] ; amax = arccos( ebmax / eamax ) Tọa độ trên trục Z của điểm M (hình 4): ZMr = −[h +hj ]+[(rxj −rfj )sind] Trong đó : h0 = 2,25mj.sind và hj = (Fmax − Fj )cosdf /cosg f Với : df : góc nón chân, g f : góc chân răng (hình 2). Tóm lại, phương trình gia công cho biên dạng thân khai phía phải có dạng : ⎧XMr = exj cosd.cos(invax )+ Re cosd.sin(ax +invax ) ⎨YMr = exj cosd.cos(invax )− Re cosd.cos(ax +invax ) ⎩ZMr = −[h0 +hj ]+[(rxj −rrj )sind] (4) (5) (6) (7) (8) Bằng cách tương tự, ta xây dựng được phương trình gia công cho biên dạng thân khai phía trái. Bằng cách Z sử dụng phép quay hệ tọa Dao phay độ quanh trục Z với các ngón đầu cầu góc bằng 2π /Z , ta sẽ xây dựng được phương Gốc chương F trình gia công cho các bề 0 X mặt răng kế tiếp của bánh răng. 0 2.3. Thuật toán thiết lập Z Fj chương trình gia công h theo mã G-Code • e Trên cơ sở các d phương trình gia công viết cho biên dạng răng phải và trái, ta xây dựng thuật f toán để thiết lập tự động chương trình gia công trên mã G-Code, sử dụng cho r máy phay CNC BAZ-15 r Heideinen như trên hình 5. Hình 4 : Sơ đồ tính tọa độ Z của điểm M 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 Nhập thông số của bánh răng nón : mođun m, số răng Z,…; Nhập chế độ cắt Tính các thông số khác : dC, AC, d, Fmax, df, repmax, reamax,… Xuất các lệnh G-Code khởi đầu chương trình gia công i = 1; Fj = 0; axr = amin; axr = amax Giải phương trình biên dạng thân khai phía phải, xuất lệnh chạy dao gia công biên dạng bên phải : G01 X(XMr) Y(YMr) Z(ZMr) axr > amax NO axr = axr + Δax YES Xuất lệnh chạy dao gia công vòng đỉnh răng G03 X(raxj) Y(rayj) Z(razj) R(Re) Giải phương trình biên dạng thân khai phía trái, xuất lệnh chạy dao gia công biên dạng bên trái : G01 X(XMl) Y(YMl) Z(ZMl) axl < amin NO axl = axl + Δax YES Xuất lệnh chạy dao gia công vòng chân răng G03 X(rfxj) Y(rfyj) Z(rfzj) R(Re) i ≥ Z NO YES Fj > Fmax NO YES Quay hệ tọa độ quanh trục Z để gia công răng kế tiếp ; i = i +1 Fj = Fj + ΔFj Dừng chương trình G28, M30 Hình 5 : Sơ đồ thuật toán lập chương trình gia công 3. Kết quả và bình luận Dựa trên phương pháp và sơ đồ thuật toán nêu trên, chúng tôi xây dựng được phần mềm «Bánh răng nón» cho phép thiết lập chương trình gia công theo mã G-Code tương thích với máy phay 3 trục CNC BAZ-15 Heidenhen, nhằm gia công tinh bề mặt thân khai của một bánh răng nón có thông số bất kỳ. Phần mềm được viết trên ngôn ngữ Visual Basic. Các menu thao tác chính trên giao diện của phần mềm (hình 6) gồm: 14 ... - tailieumienphi.vn