Bạn có thực sự hiểu đủ về gia công năm trục không? Toàn bộ kiến thức về gia công năm trục được giải đáp chi tiết!

 

 

Trong những năm gần đây, các trung tâm gia công CNC 5 trục liên hợp đã được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong thực tế, mỗi khi gặp phải những bài toán khó về gia công hiệu quả và chất lượng cao đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp, công nghệ 5 trục liên hợp rõ ràng là một phương tiện quan trọng để giải quyết những vấn đề này. Ngày càng có nhiều nhà sản xuất ưu tiên lựa chọn các thiết bị 5 trục nhằm đáp ứng yêu cầu gia công với hiệu suất cao và chất lượng vượt trội. Tuy nhiên, liệu bạn đã thực sự hiểu rõ về gia công 5 trục chưa?

Tóm tắt ưu nhược điểm của trục năm thật và giả:

 

01 Hình thức cấu trúc cơ khí của máy công cụ năm trục

Để thực sự hiểu về gia công năm trục, trước hết chúng ta cần nắm rõ khái niệm máy gia công năm trục là gì. Máy gia công năm trục (5 Axis Machining), như tên gọi, được hiểu là việc bổ sung hai trục quay vào ba trục tịnh tiến thông thường theo các phương X, Y và Z. Trong ba trục A, B và C, hai trục quay có các cơ chế chuyển động khác nhau nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của nhiều loại sản phẩm khác nhau.

Trong thiết kế cơ khí của các trung tâm gia công 5 trục, các nhà sản xuất máy công cụ luôn kiên trì nỗ lực phát triển các mô hình chuyển động mới nhằm đáp ứng đa dạng các yêu cầu. Tổng hợp các loại máy công cụ 5 trục hiện có trên thị trường, mặc dù cấu trúc cơ khí của chúng rất phong phú và đa dạng, nhưng chủ yếu có thể phân thành một số dạng chính sau:

 

1. Hai tọa độ quay trực tiếp điều khiển phương của trục dao (dạng đầu dao kép).

 

 

2. Hai trục tọa độ nằm ở đầu mũi dao, nhưng trục quay không vuông góc với trục thẳng (kiểu đầu dao kiểu lắc ngang).

 

3. Hai hệ tọa độ quay trực tiếp điều khiển sự quay của không gian (dạng hai bàn xoay).

 

 

4. Hai trục tọa độ nằm trên bàn máy, nhưng trục quay không vuông góc với các trục thẳng (dạng bàn máy nghiêng).

 

 

5. Hai hệ tọa độ quay, một tác động lên dụng cụ cắt, một tác động lên phôi (dạng một dao động – một quay).

 

*Thuật ngữ: Nếu trục quay không vuông góc với trục thẳng, thì được coi là một trục “kiểu nghiêng xuống”.

 

Sau khi tìm hiểu các cấu trúc của máy công cụ năm trục, tôi tin rằng chúng ta đã nắm rõ những gì đang chuyển động và cách thức chuyển động trong một máy công cụ năm trục. Tuy nhiên, với sự đa dạng về cấu trúc như vậy, khi gia công, máy công cụ năm trục thực sự thể hiện được những đặc điểm gì? So với máy công cụ ba trục truyền thống, nó có những ưu thế nào? Tiếp theo, hãy cùng xem những điểm nổi bật của máy công cụ năm trục là gì.

 

Nhiều ưu điểm của gia công năm trục

 

Khi nói đến các đặc điểm của máy công cụ năm trục, chúng ta cần so sánh với các thiết bị ba trục truyền thống. Trong sản xuất, các thiết bị gia công ba trục khá phổ biến, bao gồm các loại đứng, nằm và dạng cầu trục. Các phương pháp gia công thường gặp gồm gia công bằng mũi dao phay đứng theo mặt đầu, gia công bằng mũi dao phay bên, cũng như gia công mô phỏng bằng dao đầu cầu, v.v. Tuy nhiên, dù là dạng nào hay phương pháp nào thì chúng đều có một đặc điểm chung: trong quá trình gia công, hướng của trục dao luôn giữ nguyên; máy chỉ có thể thực hiện chuyển động của dụng cụ trong hệ tọa độ vuông góc không gian thông qua nội suy của ba trục tuyến tính X, Y và Z. Do đó, khi đối mặt với những sản phẩm dưới đây, các nhược điểm của máy ba trục – như hiệu suất thấp, chất lượng bề mặt gia công kém, thậm chí là không thể gia công – sẽ bộc lộ rõ rệt.

 

 

So với các thiết bị gia công CNC ba trục, máy CNC năm trục liên động có những ưu điểm sau:

 

1. Giữ cho dụng cụ cắt ở trạng thái cắt tốt nhất, cải thiện các điều kiện cắt

 

 

Như hình trên, trong hình bên trái, với phương pháp gia công ba trục, khi dao cắt di chuyển về phía đỉnh hoặc về phía mép chi tiết, điều kiện cắt gọt dần trở nên kém đi. Để duy trì trạng thái cắt gọt tối ưu ngay tại vị trí này, cần phải xoay bàn máy. Trong trường hợp muốn gia công hoàn chỉnh một mặt phẳng không đều, buộc phải xoay bàn máy nhiều lần theo các hướng khác nhau. Có thể thấy, máy công cụ năm trục còn có thể tránh được tình trạng vận tốc tuyến của điểm trung tâm mũi dao cầu bằng 0, qua đó đạt được chất lượng bề mặt tốt hơn.

 

2. Hiệu quả tránh được sự xâm phạm của dao

 

 

Như hình trên, đối với các chi tiết như bánh công tác, cánh quạt và đĩa cánh nguyên khối được sử dụng trong lĩnh vực hàng không – vũ trụ, thiết bị gia công ba trục không thể đáp ứng yêu cầu công nghệ do hiện tượng xung đột về không gian. Trong khi đó, máy gia công năm trục lại có thể đáp ứng được. Đồng thời, máy gia công năm trục còn cho phép sử dụng dao cắt ngắn hơn, qua đó nâng cao độ cứng của hệ thống, giảm số lượng dao cần dùng và tránh phát sinh nhu cầu chế tạo các loại dao chuyên dụng. Đối với các chủ doanh nghiệp của chúng ta, điều này có nghĩa là máy gia công năm trục sẽ giúp tiết kiệm chi phí mua sắm dao!

 

3. Giảm số lần gá lắp, hoàn thành gia công năm mặt chỉ trong một lần gá.

 

 

 

Như hình trên cho thấy, trung tâm gia công năm trục còn có thể giảm thiểu việc chuyển đổi chuẩn, từ đó nâng cao độ chính xác gia công. Trong thực tế gia công, chỉ cần một lần gá đặt là độ chính xác gia công sẽ dễ dàng được bảo đảm hơn. Đồng thời, do chuỗi quy trình được rút ngắn và số lượng thiết bị giảm đi, số lượng đồ gá, diện tích nhà xưởng cũng như chi phí bảo trì thiết bị đều giảm theo. Điều này có nghĩa là bạn có thể hoàn thành các nhiệm vụ gia công hiệu quả hơn, chất lượng cao hơn, với ít đồ gá hơn, diện tích nhà xưởng nhỏ hơn và chi phí bảo trì thấp hơn!

 

Như hình vẽ, máy công cụ năm trục có thể sử dụng phương pháp cắt bằng cạnh bên của dao, qua đó nâng cao hiệu suất gia công.

 

 

5. Rút ngắn chuỗi quy trình sản xuất, đơn giản hóa quản lý sản xuất

 

Việc gia công hoàn chỉnh trên máy CNC năm trục giúp rút ngắn đáng kể chuỗi quy trình sản xuất, đồng thời đơn giản hóa công tác quản lý sản xuất và lập kế hoạch điều độ. Khi chi tiết gia công càng phức tạp, lợi thế của phương pháp này so với các phương pháp sản xuất phân tán theo từng công đoạn truyền thống lại càng rõ rệt.

 

6. Rút ngắn chu kỳ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới

 

Đối với các doanh nghiệp trong các lĩnh vực hàng không – vũ trụ, ô tô và một số ngành khác, một số chi tiết của sản phẩm mới cũng như khuôn đúc có hình dạng rất phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao; do đó, các trung tâm gia công CNC năm trục với tính linh hoạt cao, độ chính xác cao, tích hợp cao và khả năng gia công hoàn chỉnh có thể giải quyết một cách hiệu quả các vấn đề về độ chính xác và thời gian gia công đối với các chi tiết phức tạp trong quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới, qua đó rút ngắn đáng kể chu kỳ R&D và nâng cao tỷ lệ thành công của các sản phẩm mới.

 

Tóm lại, máy công cụ năm trục thực sự sở hữu vô số ưu điểm; tuy nhiên, việc điều khiển tư thế dao của máy năm trục, hệ thống CNC, lập trình CAM và quá trình xử lý hậu kỳ đều phức tạp hơn nhiều so với máy ba trục. Đồng thời, khi nói đến máy năm trục, không thể không đề cập đến vấn đề “năm trục thật” và “năm trục giả”; chúng ta đều biết rằng sự khác biệt lớn nhất giữa hai loại này chính là chức năng RTCP. Vậy RTCP là gì, nó được hình thành như thế nào và cần được ứng dụng ra sao? Sau đây, chúng ta sẽ kết hợp phân tích cấu trúc máy công cụ cùng quy trình lập trình và xử lý hậu kỳ để tìm hiểu cụ thể về RTCP, qua đó làm rõ bản chất thực sự của nó.

 

03 Về RTCP

 

RTCP, trong các hệ điều khiển số cao cấp năm trục, được hiểu là Rotated Tool Center Point, tức là chức năng thường được gọi là “theo dõi điểm đầu dao”. Trong gia công năm trục, khi theo đuổi quỹ đạo của điểm đầu dao cũng như tư thế tương đối giữa dụng cụ và phôi, do chuyển động quay mà phát sinh thêm một chuyển động phụ của điểm đầu dao. Các điểm điều khiển của hệ điều khiển số thường không trùng với điểm đầu dao; vì vậy hệ điều khiển số phải tự động hiệu chỉnh các điểm điều khiển để bảo đảm rằng điểm đầu dao di chuyển theo đúng quỹ đạo đã được lập trình. Trong ngành còn có những cách gọi khác cho công nghệ này, như TCPM, TCPC hay RPCP. Thực ra, định nghĩa về chức năng của các tên gọi này đều tương tự như RTCP; xét một cách chặt chẽ, chức năng RTCP được áp dụng trên các cấu trúc bàn xoay kép, dùng tâm quay của bàn xoay để thực hiện bù trừ. Trong khi đó, chức năng tương tự như RPCP chủ yếu được sử dụng trên các máy công cụ dạng hai bàn quay, nhằm bù trừ sự thay đổi tọa độ của các trục thẳng do sự quay của phôi gây ra. Trên thực tế, các chức năng này dù khác nhau về phương thức triển khai nhưng đều nhằm mục đích giữ cho tâm dụng cụ và điểm tiếp xúc thực tế giữa dụng cụ với bề mặt phôi không thay đổi. Do đó, để thuận tiện cho việc trình bày, trong bài viết này chúng tôi thống nhất gọi chung các công nghệ loại này là công nghệ RTCP.

 

 

 

Vậy chức năng RTCP ra đời như thế nào? Cách đây nhiều năm, khi các máy công cụ năm trục mới bắt đầu được phổ biến trên thị trường, khái niệm RTCP đã được các nhà sản xuất máy công cụ quảng bá rầm rộ. Vào thời điểm đó, chức năng RTCP dường như chỉ là một chiêu trò mang tính “công nghệ vì công nghệ”, thu hút sự quan tâm và thổi phồng về mặt kỹ thuật hơn là thực sự chú trọng đến giá trị ứng dụng của nó. Trên thực tế, RTCP lại hoàn toàn ngược lại: đây không chỉ là một công nghệ ưu việt, mà còn là một công nghệ mang lại hiệu quả và tạo ra giá trị cho khách hàng. Những máy công cụ được trang bị công nghệ RTCP (tức là loại máy công cụ năm trục thực thụ theo cách gọi trong nước) cho phép người vận hành không cần phải căn chỉnh chính xác phôi sao cho trùng với trục tâm của bàn xoay; chỉ cần gá đặt tùy tiện, máy sẽ tự động bù trừ độ lệch, qua đó giảm đáng kể thời gian phụ trợ đồng thời nâng cao độ chính xác gia công. Đồng thời, quá trình tạo mã hậu xử lý cũng trở nên đơn giản: chỉ cần xuất ra tọa độ và vectơ của điểm mũi dao là đủ. Như chúng ta đã đề cập trước đó, về mặt cấu trúc cơ khí, các máy CNC năm trục chủ yếu có các kiểu kết cấu như hai đầu dao dao động, hai bàn xoay, hoặc một đầu dao dao động kết hợp với một bàn xoay.

 

Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ lấy hệ thống điều khiển số năm trục cao cấp với hai bàn quay làm ví dụ để giới thiệu chi tiết về chức năng RTCP.

 

Trong các máy công cụ năm trục, khái niệm về trục thứ tư và trục thứ năm được định nghĩa như sau: trong cấu trúc bàn xoay kép, sự quay của trục thứ tư ảnh hưởng đến tư thế của trục thứ năm, trong khi sự quay của trục thứ năm không thể ảnh hưởng đến tư thế của trục thứ tư. Trục thứ năm được coi là tọa độ quay trên trục thứ tư.

 

 

Vậy là sau khi đã tìm hiểu định nghĩa, giờ chúng ta sẽ đi vào giải thích. Như hình trên cho thấy, trục thứ 4 của máy công cụ là trục A, còn trục thứ 5 là trục C. Phôi được đặt trên bàn quay của trục C. Khi trục A – trục thứ 4 – quay, do trục C được lắp đặt trên trục A nên tư thế của trục C cũng bị ảnh hưởng. Tương tự, đối với phôi đặt trên bàn quay, nếu chúng ta lập trình gia công bằng cách lấy tâm dao làm gốc tọa độ, thì sự thay đổi của các tọa độ trong hệ tọa độ quay tất yếu sẽ dẫn đến sự thay đổi của các tọa độ theo các trục thẳng X, Y, Z, từ đó tạo ra một chuyển vị tương đối. Để loại bỏ đoạn chuyển vị này, máy công cụ bắt buộc phải thực hiện bù trừ; chức năng RTCP ra đời chính là nhằm loại bỏ sự bù trừ đó.

 

Vậy máy công cụ sẽ bù trừ đoạn lệch này như thế nào? Tiếp theo, chúng ta sẽ phân tích xem đoạn lệch này phát sinh như thế nào.

 

 

Theo phần trước, chúng ta đều biết rằng sự thay đổi của hệ tọa độ quay đã gây ra sự dịch chuyển của các trục tọa độ thẳng. Do đó, việc phân tích tâm quay của trục quay trở nên đặc biệt quan trọng. Đối với các máy công cụ có cấu trúc hai bàn quay, điểm điều khiển của trục C – tức trục thứ năm – thường được đặt tại tâm quay của mặt bàn làm việc của máy; còn đối với trục thứ tư, điểm điều khiển thường được chọn là trung điểm của trục thứ tư.

 

 

Để thực hiện điều khiển năm trục, hệ thống CNC cần biết mối quan hệ giữa điểm điều khiển của trục thứ năm và điểm điều khiển của trục thứ tư. Cụ thể, trong trạng thái ban đầu (vị trí 0 của các trục A và C trên máy), với hệ tọa độ quay của trục thứ tư lấy điểm điều khiển của trục thứ tư làm gốc, vectơ vị trí của điểm điều khiển trục thứ năm được biểu diễn dưới dạng [U, V, W]. Đồng thời, cũng cần biết khoảng cách giữa hai trục A và C. Đối với các máy có hai bàn quay, ví dụ minh họa được trình bày như hình dưới đây.

 

Đến đây, mọi người có thể thấy rằng đối với các máy công cụ có chức năng RTCP, hệ thống điều khiển sẽ đảm bảo cho tâm dao luôn nằm đúng tại vị trí đã được lập trình. Trong trường hợp này, việc lập trình là độc lập và không phụ thuộc vào chuyển động của máy. Khi bạn tiến hành lập trình trên máy, bạn không cần phải lo lắng về chuyển động của máy cũng như về chiều dài dao; điều duy nhất bạn cần quan tâm chính là chuyển động tương đối giữa dao và phôi. Phần còn lại, hệ thống điều khiển sẽ tự động thực hiện giúp bạn. Ví dụ:

 

 

 

Như hình trên, khi chức năng RTCP không được bật, hệ thống điều khiển sẽ không tính đến chiều dài dao. Dao sẽ quay quanh tâm của trục; mũi dao sẽ dịch chuyển ra khỏi vị trí ban đầu và không còn cố định nữa.

 

 

Như hình trên, khi chức năng RTCP được bật, hệ thống điều khiển chỉ thay đổi hướng của dao, trong khi vị trí mũi dao vẫn giữ nguyên. Các chuyển động bù cần thiết trên các trục X, Y và Z đã được tính toán tự động.

Vậy đối với các máy công cụ năm trục và hệ điều khiển số không có RTCP, vấn đề lệch tọa độ của các trục thẳng được giải quyết như thế nào? Chúng ta biết rằng hiện nay nhiều máy công cụ CNC năm trục và hệ thống điều khiển số trong nước thuộc loại “năm trục giả”; thuật ngữ “năm trục giả” thực chất chỉ những máy công cụ không tích hợp chức năng RTCP. Việc phân biệt giữa “năm trục thật” và “năm trục giả” không dựa vào hình dáng bên ngoài cũng không phải chỉ xét xem năm trục có liên động hay không—bởi lẽ ngay cả máy năm trục giả vẫn có thể thực hiện gia công liên động năm trục. Điểm khác biệt chủ yếu của “năm trục giả” nằm ở việc chúng không có thuật toán RTCP như của “năm trục thật”; nói cách khác, khi lập trình cho máy năm trục giả, cần phải tính đến chiều dài dao động của trục chính cũng như vị trí của bàn xoay. Điều này đồng nghĩa với việc khi lập trình trên các hệ điều khiển số và máy công cụ năm trục giả, nhất thiết phải dựa vào công nghệ lập trình CAM và xử lý hậu kỳ để lên kế hoạch trước đường chạy dao một cách chi tiết và hợp lý.

 

Cùng một chi tiết, nếu thay đổi máy công cụ hoặc thay đổi dao thì đều phải tiến hành lập trình CAM và xử lý hậu kỳ lại từ đầu. Hơn nữa, đối với các máy giả năm trục, khi gá đặt phôi cần phải đảm bảo phôi nằm đúng tại tâm quay của bàn máy; điều này đồng nghĩa với việc người vận hành phải dành rất nhiều thời gian cho công tác gá đặt và căn chỉnh, trong khi độ chính xác lại khó được bảo đảm. Ngay cả khi thực hiện gia công phân độ, máy giả năm trục cũng vẫn gây nhiều phiền toái. Trong khi đó, với máy thật năm trục, chỉ cần thiết lập một hệ tọa độ duy nhất và thực hiện một lần căn dao là có thể hoàn thành toàn bộ quá trình gia công.

 

Hình dưới đây lấy ví dụ về việc thiết lập trong trình chỉnh sửa hậu xử lý của NX để minh họa phép biến đổi tọa độ của giả ngũ trục:

 

Như hình trên, “ngũ trục giả” dựa vào công nghệ hậu xử lý để biểu thị mối quan hệ về vị trí tâm giữa trục thứ tư và trục thứ năm của máy công cụ, từ đó bù trừ sự dịch chuyển của các tọa độ trên các trục thẳng do ảnh hưởng của các trục quay. Chương trình CNC được tạo ra không chỉ đơn thuần gồm các điểm tiếp cận trong lập trình, mà còn tích hợp các phép bù cần thiết cho các trục X, Y, Z. Cách xử lý như vậy không những dẫn đến độ chính xác gia công kém, hiệu suất thấp, mà còn làm cho chương trình tạo ra thiếu tính phổ dụng, đồng thời đòi hỏi chi phí nhân lực rất cao. Ngoài ra, do thông số quay của mỗi máy công cụ đều khác nhau, nên nhất thiết phải có các tệp hậu xử lý tương ứng, điều này gây ra những bất tiện lớn cho quá trình sản xuất. Hơn nữa, với “ngũ trục giả”, chương trình được tạo ra không thể sửa đổi, vì vậy việc thực hiện lập trình ngũ trục thủ công gần như là không khả thi. Đồng thời, do không có chức năng RTCP, nhiều chức năng nâng cao của ngũ trục vốn được phát triển dựa trên cơ sở này cũng không thể sử dụng, chẳng hạn như chức năng bù dao ngũ trục. Thực ra, đối với máy công cụ ngũ trục, đây chỉ là một công cụ giúp chúng ta đạt được kết quả gia công; không có khái niệm “thật” hay “giả”. Điều quan trọng là quy trình công nghệ của chúng ta sẽ quyết định việc lựa chọn phương thức gia công nào; xét về mặt tương đối, máy công cụ ngũ trục thật có tỷ lệ chi phí–hiệu quả cao hơn.