CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẮT GỌT KIM LOẠI 2.1 Khái niệm chung Hiện có nhiều phương pháp để gia công kim loại: Đúc, rèn, cán, hàn song phương pháp tạo phôi sản phẩm thô sơ, thường độ xác độ bóng không cao Để nâng cao độ bóng độ xác chi tiết theo yêu cầu kỹ thuật phải tiến hành gia công cắt gọt kim loại Gia công kim loại cắt gọt (còn gọi gia công có phoi) tức bóc lớp “kim loại thừa” để tạo nên hình dáng chi tiết phù hợp với yêu cầu kỹ thuật chi tiết Hiện xuất nhiều phương pháp gia công phương pháp: tiện, phay, bào, khoan, khoét, doa, chuốt, mài phương pháp để cắt gọt kim loại Hệ thống thiết bị dùng để hoàn thành nhiệm vụ cắt gọt gọi hệ thống công nghệ, bao gồm: Máy –Đồ gá – Dao – Chi tiết Ví dụ hình 2.1: - Máy có nhiệm vụ cung cấp lượng cần thiết cho trình cắt gọt - Đồ gá có nhiệm vụ xác định giữ vị trí tương quan xác dao, máy chi tiết gia công suốt trình gia công chi tiết - Dao có nhiệm vụ trực tiếp cắt bỏ lớp “kim loại thừa” khỏi chi tiết nhờ lượng máy cung cấp thông qua chuyển động tương đối - Chi tiết gia công đối tượng trình cắt gọt Mọi kết trình cắt phản ảnh lên chi tiết gia công Mỗi phương pháp gia công dùng máy, dao chuyển động chúng khác nhau, nên tạo quỹ đạo chuyển động tương đối khác kết hình thành bề mặt chi tiết khác Máy Dao Gá Phôi Hình 2-1 Hệ thống M-G-D-P -10- 2.1.1 Các bề mặt thường gặp chi tiết máy Trong gia công khí, bề mặt chi tiết gia công thường gặp chia ba dạng chính: a) b) Hình 2.2 Các bề mặt thường gặp gia công c) - Dạng bề mặt tròn xoay: mặt trụ, mặt côn, mặt ren, mặt định hình (hình 2.2a); - Dạng mặt phẳng prôfil tạo nên mặt phẳng (hình 2.2b); - Dạng mặt đặc biệt: cam đóa (hình 2.2c) 2.1.2 Các chuyển động tạo hình bề mặt Chuyển động tạo hình bao gồm chuyển tương đối dao phôi, trực tiếp tạo bề mặt gia công Để tạo bề mặt gia công, máy phải truyền cho cấu chấp hành máy chuyển động tương đối Chuyển động tương đối phụ thuộc vào bề mặt gia công Vì cần nghiên cứu chuyển động tương đối để tạo bề mặt, dựa vào để thiết kế dao máy Số chuyển động tạo hình (như chuốt: hình 2.3a), (như tiện, bào, xọc: hình 2.3b, phay: hình 2.3c), (như lăn răng: hình 2.3d) Các chuyển động (dù phức tạp) quy chuyển động (đơn giản) vài cấu nguyên thủy có chuyển động quay tròn tịnh tiến Trong cắt gọt kim loại, chuyển động chia thành chuyển động sau: - Chuyển động cắt chính: Là chuyển động để tạo phoi cắt, chuyển động tiêu hao lượng cắt lớn (chuyển động 1– Hình 2.3) Chuyển động cắt tịnh tiến, quay -11- - Chuyển động chạy dao: Là chuyển động cần thiết để tiếp tục tạo phoi cắt (chuyển động – Hình 2.3) Chuyển động chạy dao tịnh tiến, quay - Chuyển động phụ: Bao gồm chuyển động đưa dao vào, lùi dao ra, chạy dao cắt lần hai Ví dụ: - Khi chuốt (hình 2.3a) chuyển động cắt chuyển động tịnh tiến (1) dao, chuyển động chạy dao - Khi tiện (hình 2.3b) chuyển động cắt chuyển động quay tròn (1) chi tiết, chuyển động chạy dao chuyển động tịnh tiến (2) dao Khi bào xọc (hình 2.3b) chuyển động cắt chuyển động tịnh tiến (1) dao, chuyển động chạy dao chuyển động tịnh tiến (2) bàn máy mang chi tiết - Khi phay (hình 2.3c) chuyển động cắt chuyển động quay tròn (1) dao, chuyển động chạy dao chuyển động tịnh tiến (2) bàn máy mang chi tiết - Khi phay bánh (hình 2.3d) chuyển động cắt (1) – chuyển động quay dao, chuyển động chạy dao (2) – chuyển động tịnh tiến dao, chuyển động chạy dao (3) – chuyển động quay phôi (theo nguyên lý bao hình) a) Chuyển động cắt vận tốc cắt Để đặc trưng cho chuyển động chính, ta sử dụng hai đại lượng: - Vận tốc cắt v (tại điểm) hay gọi tốc độ cắt: Là lượng dịch chuyển tương đối lưỡi cắt chi tiết gia công đơn vị thời gian - Số vòng quay n (hoặc số hành trình kép) đơn vị thời gian Đối với tiện, tốc độ cắt tốc độ tổng hợp tốc độ vòng chi tiết gia công tốc độ chuyển động chạy dao Tuy nhiên thực tế tốc độ chuyển động chạy dao thường bé so với tốc độ vòng chi tiết gia công nên thường bỏ qua V = Vn + Vs Trong đó: Vn - tốc độ vòng chi tiết gia công Vs - tốc độ chuyển động chạy dao Vì Vs nhỏ so với Vn nhiều nên tính toán bỏ qua Vậy công thức gần để tính vận tốc sau: V = Trong π ⋅D⋅n 1000 (m / ph) D : Đường kính chi tiết gia công (mm) n : số vòng quay chi tiết gia công phút (vg/phút) Nếu chuyển động chuyển động tịnh tiến, vận tốc cắt (m/phút), số hành trình kép n (htk/phút) chiều dài hành trình L (mm) có quan hệ sau: -12- V= Chi tiết gia công 2⋅ L⋅n (m / ph) 1000 1 c) a) 1 2 b) d) Hình 2.3 Các chuyển động tạo hình b) Chuyển động chạy dao lượng chạy dao Để đặc trưng cho chuyển động chạy dao, ta sử dụng lượng chạy dao Lượng chạy dao lượng chạy dao vòng, lượng chạy dao phút … Ví dụ: -13- - Lượng chạy dao tiện khoảng dịch chuyển dao theo phương chuyển động chạy dao sau vòng quay chi tiết gia công: S (mm/vòng) - Lượng chạy dao bào, xọc: lượng dịch chuyển tương đối bàn máy mang chi tiết sau hành trình kép dao: Sk ( mm/htk) - Đối với phương pháp phay, trị số dịch chuyển tương đối bàn máy phút gọi lượng chạy dao phút: Sph = S n (mm/ph); S lượng chạy dao vòng, lượng dịch chuyển bàn máy dao quay vòng (mm/vòng); n số vòng quay dao phút (vòng/ph) Ngoài có khái niệm lượng chạy dao răng, lượng dịch chuyển bàn máy dao quay góc : Sz = S/z (mm/răng); z số dao phay Tùy theo phương chuyển động chạy dao có lượng chạy dao dọc, lượng chạy dao ngang, lượng chạy dao thẳng, lượng chạy dao vòng … c) Chuyển động phụ chiều sâu cắt Chiều sâu cắt t (mm) khoảng cách bề mặt gia công bề mặt chưa gia công, chiều sâu lớp kim loại cắt sau lần cắt đo theo phương thẳng góc với bề mặt gia công Ví dụ tiện chiều sâu cắt tính theo công thức: t= D−d ( mm) D : Đường kính chi tiết trước gia công (mm) d: Đường kính chi tiết sau gia công (mm ) Tập hợp yếu tố: t, s, v - gọi chế độ cắt 2.1.3 Các phương pháp cắt gọt kim loại Yêu cầu bề mặt gia công đa dạng, phải có nhiều phương pháp cắt gọt để thỏa mãn yêu cầu đa dạng Có nhiều cách phân loại phương pháp cắt gọt, xuất phát từ mục đích nghiên cứu sử dụng khác nhau: - Xuất phát từ nguyên lý tạo hình bề mặt: Phương pháp gia công định hình (định hình dáng dao lên bề mặt chi tiết gia công – hình 2.4a); Phương pháp gia công chép hình (chép lại hình dáng chi tiết mẫu – hình 2.4b); Phương pháp gia công theo vết (phương pháp quỹ tích) tiện, phay, bào ; Phương pháp bao hình (bề mặt tạo hình đường bao profil dao cắt chúng chuyển động bao hình với – hình 2.4c) phay lăn - Xuất phát từ máy cắt kim loại: Phương pháp cắt gọt tiện, bào, xọc (hình 2.3b), phay (hình 2.3c), mài, khoan, khoét, doa, chuốt (hình 2.3a) - Xuất phát từ yêu cầu chất lượng chi tiết gia công: Gia công thô, gia công bán tinh, gia công tinh, gia công siêu tinh -14- - Xuất phát từ bề mặt chi tiết gia công: Gia công mặt phẳng (hình 2.2b), gia công mặt tròn xoay (hình 2.2a) Mẫu b) a) Chi tiết Chi tiết Dao Dao Dao Hình 2.4 Các phương pháp cắt gọt kim loại c) Chi tiết 2.1.4 Khái niệm bề mặt hình thành gia công chi tiết Trên chi tiết gia công ta phân biệt (hình 2.5): a) b) Hình 2.5 Các bề mặt hình thành gia công chi tiết phoi phoi - Mặt chưa gia công bề mặt chi tiết cắt lớp kim loại dư Lớp kim loại dư tách khỏi chi tiết gọi “phoi” - Mặt gia công bề mặt chi tiết nối tiếp mặt chưa gia công mặt gia công Trong trình cắt, mặt gia công tiếp xúc với lưỡi cắt dao loại - Mặt gia công bề mặt chi tiết tạo thành sau cắt lớp kim -15- 2.1.5 Khái niệm dụng cụ cắt Muốn cắt kim loại, yêu cầu độ cứng, độ bền, độ chịu nhiệt, dao cần phải có hình dáng phần cắt hợp lý Có nhiều loại dao (như dao tiện, phay, mũi khoan, khoét, doa ) dùng máy khác xét cho cùng, dù chúng có phức tạp đến đâu, phần cắt chúng có cấu tạo giống dao tiện (hình2.6) Hình 2.6 Cấu thành dụng cụ cắt từ dao tiện Dao tiện a) b) c) Do chủ yếu ta nghiên cứu kết cấu thông số hình học dao tiện sau mở rộng cho loại dao khác Các định nghóa thông số hình học tượng xảy trình tiện áp dụng phương pháp gia công khác Sau đây, nghiên cứu kết cấu dao tiện Trên hình 2.7 dao tiện đầu thẳng có kết cấu đơn giản, gồm hai phần chính: - Phần làm việc (phần cắt) trực tiếp làm nhiệm vụ cắt Phần thân B H Phần cắt Hình 2.7 Kết cấu dao tiện L Phương chạy dao - Phần thân dùng để gá dao vào bàn dao trục Trên phần cắt dao có mặt sau đây: - Mặt trước (1) mặt mà phoi tiếp xúc theo thoát trình cắt -16- - Mặt sau (2) mặt dao đối diện với mặt chi tiết gia công - Mặt sau phụ (3) mặt dao đối diện với mặt chi tiết gia công Các mặt làø mặt phẳng cong Giao tuyến chúng tạo thành lưỡi cắt dao Trên phần cắt gồm lưỡi cắt sau: - Lưỡi cắt (5) giao tuyến mặt trước mặt sau chính, giữ nhiệm vụ trực tiếp cắt gọt phoi trình cắt - Lưỡi cắt phụ (6) giao tuyến mặt trước mặt sau phụ, trình cắt phần lưỡi cắt phụ tham gia cắt (rất nhỏ, khoảng ½.S) Dao có mặt sau phụ hay nhiều mặt sau phụ va ødo có hay nhiều lưỡi cắt phụ Phần nối tiếp lưỡi cắt gọi mũi dao (4); mũi dao nhọn có bán kính r (r ≈ 0,1÷2mm) Chiều dài phần cắt dao khoảng cách từ mũi dao đến giao tuyến mặt trước thân dao Phần thân dao có tiết diện hình tròn hay hình chữ nhật, hình vuông 2.1.6 Các mặt tọa độ để nghiên cứu dụng cụ cắt Vị trí tương đối bề mặt phần làm việc dao so với bề mặt chi tiết gia công có ảnh hưởng lớn tới trình cắt gọt Vị trí bề mặt lưỡi cắt xác định góc độ phần làm việc dao Nói đến góc độ phần làm việc dao nghóa nói đến vị trí tương quan bề mặt lưỡi cắt so với hệ tọa độ chọn làm chuẩn Hệ tọa độ gọi hệ tọa độ xác định Đ Hình 2.8 Các mặt phẳng tạo độ dụng cụ cắt Trong nghiên cứu dụng cụ cắt, hệ tọa độ xác định thành lập sở ba chuyển động cắt ( s , t , v ) Tổng quát hơn, phương C Đ ba chuyển động cắt ( s , t , v ) tương ứng phương hệ tọa độ Đề (x, y, z) Như bao gồm ba mặt phẳng sau: (hình 2.8) -17- - Mặt (x-x) tạo véc tơ tốc độ cắt v va ø véc tơ chạy dao s - Mặt (y-y) tạo véc tơ tốc độ cắt v va ø véc tơ chiều sâu cắt t - Mặt (còn gọi mặt đáy – ký hiệu Đ) tạo véc tơ chạy dao s véc tơ chiều sâu cắt t Ngoài ba mặt trên, ta cần sử dụng thêm mặt phẳng tiết diện phụ trợ: - Mặt cắt (ký hiệu C) qua điểm lưỡi cắt chính: mặt phẳng qua điểm đó, tiếp tuyến với mặt gia công chứa véc tơ vận tốc cắt v (nếu lưỡi cắt thẳng mặt cắt chứa lưỡi cắt chính) Tốc độ cắt tốc độ dịch chuyển tương đối lưỡi cắt chi tiết gia công Ở trạng thái thiết kế (tónh) hướng véctơ vận tốc cắt ngược với hướng quay chi tiết (thực chất thiết kế chi tiết không chuyển động nên véctơ vận tốc cắt hoàn toàn quy ước hướng quay chi tiết tưởng tượng chi tiết quay cắt gọt) Còn xét trạng thái làm việc (động), tốc độ cắt tổng hợp tốc độ chuyển động quay chi tiết tốc độ chuyển động chạy dao - Tiết diện mặt phẳng thẳng góc với hình chiếu lưỡi cắt mặt đáy (ký hiệu N-N) - Tiết diện phụ mặt phẳng thẳng góc với hình chiếu lưỡi cắt phụ mặt đáy (ký hiệu N1-N1) 2.1.7 Thông số hình học phần cắt dao tiện thiết kế (trạng thái tónh) N-N N1-N1 Hình 2.9 Thông số hình học dao tiện N1 K N N N1 -18- Chiếu K λ>0 Quá trình thiết kế, thông số hình học dao đïc xét hai tiết diện N-N tiết diện phụ N1-N1, phoi thường thoát theo phương tiết diện đó, kéo theo tượng vật lý xảy trình cắt Trong tiết diện ta có góc chính, tiết diện phụ ta có góc phụ Trên hình 2.9, xét điểm M lưỡi cắt điểm M1 lưỡi cắt phụ ta có: - Góc trước γ: góc mặt trước mặt đáy đo tiết diện Góc trước có trị số dương mặt trước thấp mặt đáy, trị số âm ngược lại mặt trước trùng mặt đáy (hình 2.10) Góc γ có ảnh hưởng đến trình thoát phoi cắt Hình 2.10 Góc trước γ - Góc sau α: góc mặt sau mặt cắt đo tiết diện Góc α luôn dương có ảnh hưởng đến vấn đề ma sát cắt Trong góc α góc γ hai góc độc lập chọn trước tùy theo yêu cầu gia công (vật liệu, chất lượng bề mặt gia công …), hai góc β δ hai góc phụ thuộc vào góc α γ - Góc sắc β : góc mặt trước mặt sau đo tiết diện γ + β + α = 90O - Góc cắt δ : góc mặt trước mặt cắt đo tiết diện - Góc trước phụ γ1: góc mặt trước mặt đáy đo tiết diện phụ Góc γ1 âm, dương không tương tự γ - Góc sau phụ α1: góc mặt sau phụ mặt phẳng hợp lưỡi cắt phụ trục Z M1 , đo tiết diện phụ Góc α1 luôn dương - Góc sắc phụ β1 : góc mặt trước mặt sau phụ đo tiết diện phụ - Góc cắt phụ δ1 : góc mặt trước mặt phẳng hợp lưỡi cắt phụ trục Z M1 , đo tiết diện phụ α1 + β1 + γ1 = 90O - Góc nghiêng ϕ: góc hình chiếu lưỡi cắt mặt đáy phương chạy dao - Góc nghiêng phụ ϕ1: góc hình chiếu lưỡi cắt phụ mặt đáy phương chạy dao -19- Sự mài mòn dao giống mài mòn chi tiết chuyển động tương điều kiện có nặng nề hơn, quy luật mài mòn dao giống quy luật mài mòn chi tiết Sự mài mòn dao theo thời gian chia làm giai đoạn sau (hình 2.31): Giai đọan I : Mài mòn khốc liệt Độ mòn mặt dao vết nhấp nhô; C Giai đọan II : Mài mòn ổn định; Giai đọan III : Mài mòn phá hủy, giai đoạn nhiệt độ tăng cao, độ cứng giảm nên mài mòn xảy nhanh Khi làm việc dao bị mòn gần đến cuối giai đoạn II phải mài dao lại B A I III II Thời gian Hình 2.31 Quan hệ mài mòn dao thời gian Tìm hiểu chế mài mòn dao công việc quan trọng việc nghiên cứu trình cắt gọt b) Nguyên nhân gây mài mòn dao - Ở tốc độ cắt thấp, mài mòn chủ yếu ma sát mặt trước dụng cụ cắt với phoi chi tiết với mặt sau dao, mài mòn học - Khi tốc độ cắt tương đối cao, nhiệt độ sinh cao đạt giá trị đó, lớp bề mặt dao thay đổi cấu trúc nên dao chóng mòn hơn, mài mòn chủ yếu nhiệt - Khi tốc độ cắt cao, nhiệt độ cao, lớp bề mặt chi tiết bị oxy hóa, trở nên dòn, dễ bị phá hủy Đồng thời với áp suất cao, nhiệt độ cao có mài mòn dính Khi phoi cắt thoát dính vào mặt trước dao, chuyển động phoi kéo theo mảng nhỏ vật liệu mặt trước dao làm cho dao bị mòn Ngoài có mài mòn khuyếch tán, cắt loại thép hợp kim chịu nóng dao hợp kim cứng tốc độ cao Khi nhiệt độ cắt từ 900 oC – 1000oC có tượng khuyếch tán thành phần vật liệu dao vào lớp bề mặt chi tiết gia công, kết dao bị mòn nhanh c) Các dạng mài mòn dao Tùy theo điều kiện cắt gọt, tính chất vật liệu gia công vật liệu làm dao, dụng cụ cắt gọt có dạng mài mòn sau: - Mài mòn mặt sau (hình 2.32a), thường xảy gia công với chiều dày cắt nhỏ (a < 0,1 mm) đặc biệt gia công vật liệu dòn gang - Mài mòn mặt trước (hình 2.32b) mài mòn lưỡi liềm (hình 2.32c)., thường xảy -44- a) b) c) e) d) Hình 2.32 Các dạng mài mòn dao gia công vật liệu dẻo có chiều dày cắt a > 0,5 mm - Mài mòn đồng thời mặt trước mặt sau xảy cắt kim loại dẻo có chiều dày cắt a = 0,1 ÷ 0.5 - Mài mòn mũi dao (hình 2.32d) cùn lưỡi cắt (hình 2.32e), thường xảy gia công tinh vật liệu có tính dẫn nhiệt Khi ảnh hưởng nhiệt độ cao, lưỡi cắt nhanh chóng bị mềm cùn Mài mòn mặt sau dạng chủ yếu dễ đo Do thường dùng làm tiêu chuẩn mài mòn (hoặc độ mài mòn cho phép) Khi gia công tinh độ mài mòn cho phép tùy thuộc vào độ bóng độ xác gia công d) Tuổi bền dao Thời gian làm việc liên tục lần mài dao gọi tuổi bền dao, ký hiệu T (phút) Tuổi bền dao phụ thuộc vào nhiều yếu tố: vật liệu làm dao, vật liệu gia công, thông số hình học dao, chế độ cắt, dung dịch trơn nguội v.v Ảnh hưởng nhiều đến tuổi bền dao tốc độ cắt Tốc độ cắt cao, lượng tiêu hao trình cắt lớn, nhiệt tỏa nhiều, trình mòn nhiệt mài mòn diễn mạnh dẫn đến tuổi bền dao giảm Tốc độ cắt nhân tố quan trọng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng bề mặt gia công, suất giá thành sản phẩm Khi tăng tốc độ cắt làm tăng suất gia công đồng thời làm dao chóng mòn, hao phí thời gian thay dao mài lại, làm giảm suất tăng giá thành sản phẩm Do việc xác định tốc độ cắt hợp lý cần thiết Tốc độ cắt hợp lý tốc độ vừa đảm bảo suất cao nhất, vừa đảm bảo giá thành hạ Thực tế điều kiện cắt cụ thể, người ta xác định trước tuổi bền hợp lý dao, nhiệm vụ cắt gọt phải điều chỉnh máy để có tốc độ phù hợp nhằm đảm bảo tuổi bền dao chọn Ngoài tốc độ cắt, nhiều nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao lượng chạy dao, chiều sâu cắt, thông số hình học dao, vật liệu gia công, vật liệu dao … Dưới ta xét vài nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền dao: - Tốc độ cắt cao, nhiệt độ cắt lớn, tính chất lý dao thay đổi nên dao chóng mòn Ta có quan hệ tuổi bền dao tốc độ cắt qua thực nghiệm sau: v= A Tm Trong đó: T : tuổi bền dao ( phút); V : tốc độ cắt ( m/phút); -45- A : số phụ thuộc vào vật liệu gia công; m : giá trị đặc trưng cho mức độ ảnh hưởng tuổi bền dao đến tốc độ cắt Đối với dao thép gió m = 0,125 Đối với dao hợp kim cứng m = 0,2 Đối với dao sứ m = 0,5 Từ quan hệ ta thấy: tăng V T giảm Do muốn giữ cho tuổi bền dao cao phải chọn tốc độ cắt hợp lý - Khi cắt, tăng chiều sâu cắt t lượng chạy dao s lực cắt nhiệt cắt tăng lên dao chóng mài mòn, ảnh hưởng đến tuổi bền dao Do muốn giữ tuổi bền T dao không đổi cần phải giảm tốc độ cắt - Thông số hình học dao có ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dao Vì tùy theo tính chất gia công, vật liệu gia công mà ta chọn dao (vật liệu làm dao, hình dáng hình học, thông số hình học) cho hợp lý để đạt đựơc suất cao nhất, chất lượng cao + Ảnh hưởng góc trước γ : góc trứơc tăng ma sát, lực cắt, nhiệt cắt giảm góc trứơc tăng lớn làm góc sắc β giảm, điều kiện truyền nhiệt kém, dao bị chóng mài mòn Nếu muốn giữ tuổi bền T dao không đổi cần phải giảm tốc độ cắt Vì cần chọn góc trước hợp lý để có tốc độ cao (hình 2.33a) + nh hưởng góc sau α : góc sau tăng làm giảm ma sát mặt sau mặt gia công Tuy nhiên góc sau tăng lớn làm giảm góc sắc, giảm điều kiện truyền nhiệt gây nên dao chóng mài mòn Nếu muốn giữ tuổi bền T dao không đổi cần phải giảm tốc độ cắt Vì cần chọn góc sau hợp lý để có tốc độ cao (hình 2.33b) b) a) Hình 2.33 Quan hệ vận tốc cắt góc trước, góc sau dao + nh hưởng bán kính mũi dao: bán kính mũi dao lớn chiều dài lưỡi cắt tham gia cắt lớn, truyền nhiệt tốt nên tăng tốc độ cắt + nh hưởng tiết diện thân dao: Thân dao lớn điều kiện truyền nhiệt tốt, nên có khả tăng tốc độ cắt -46- - Ảnh hưởng dung dịch trơn nguội: Dung dịch trơn nguội làm cho hình thành phoi dễ dàng, ma sát giảm, nhiệt cắt giảm Vì cắt có dung dịch trơn nguội cho phép nâng cao tốc độ cắt, tăng tuổi bền dao Tổng hợp nhân tố người ta đưa công thức thực nghiệm tính toán vận tốc cắt nhö sau: V = Cv ⋅ Kv T m t xv s yv Trong đó: T: Tuổi bền dao (phút) t: Chiều sâu cắt (mm) s: lượng chạy dao (mm/vòng) Cv, m, xv, yv: phụ thuộc vào điều kiện gia công, tra sổ tay “chế độ cắt gia công cơ” Kv: Hệ số điều chỉnh, tra sổ tay “chế độ cắt gia công cơ” KV = K Trong đó: m K n K u K r K ϕ K α K γ Km: Hệ số hiệu chỉnh xét đến vật liệu gia công Kn: Hệ số hiệu chỉnh xét đến trạng thái phôi Ku: Hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng vật liệu làm dao Kr ; Kϕ ; Kα ; Kγ : Hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng thông số hình học dao 2.3.7 Hiện tượng lực cắt a) Lực cắt Muốn cắt kim loại cần phải tác dụng vào dao lực để thắng lực liên kết nôi kim loại Nghiên cứu lực cắt có tầm quan trọng lớn biết lực cắt tính công suất tiêu thụ máy, tính lực kẹp chi tiết để sở thiết kế đồ gá v.v Lực cắt lớn hay nhỏ ảnh hưởng đến tuổi bền dao chất lượng bề mặt gia công Trong cắt gọt kim loại, người ta gọi lực sinh trình cắt tác động lên dao lực cắt; Lực có độ lớn, phương ngược chiều với lực cắt gọi phản lực cắt -47- Khi cắt, mặt trước dao phoi đập vào nên có lực pháp tuyến N1 (hình 2.34), đồng thời phoi chuyển động nên có lực ma sát F1, ta có: Q1 = F1 + N1 R Q2 N1 N2 ϕ Q1 F1 F2 Hình 2.34 Lực tác dụng lên dao Hình 2.35 Các phương lực cắt Trên mặt sau dao biến dạng đàn hồi chuyển động nên có áp lực N2 ma sát F2 ; ta có: Q = F2 + N Nhưng lực tác dụng lên mặt sau không tham gia trình tạo phoi mà gây tải trọng vô ích có ảnh hưởng lớn đến rung động mài mòn Tổng hợp lực ta lực cắt R: R = Q1 + Q Để nghiên cứu lực cắt người ta phân lực cắt thành thành phần theo phương cần thiết Khi tiện, thành phần lực cắt có phương trùng với phương chuyển động cắt gọt (hình 2.35): Pz - lực tiếp tuyến, trùng với phương vận tốc V, có giá trị lớn Dùng để kiểm nghiệm công suất tiêu thụ máy Py - lực hướng kính, có phương trùng với phương chiều sâu cắt t Lực gây rung động mặt phẳng ngang, ảnh hưởng đến độ xác độ bóng bề mặt gia công Px - lực chạy dao, có phương trùng với phương chạy dao s Lực tác dụng lên cấu chạy dao Cơ cấu chạy dao phải khắc phục lực với lực ma sát sống trượt máy Lúc ta có hợp lực laø : R = PZ + Py + Px hay viết lại: -48- R = PZ + Py2 + Px2 Đây phương pháp phân tích lực phổ biến nhất, phương chuyển động cắt hoàn toàn xác định, việc đo thành phần lực cắt tiến hành dễ dàng b) Nhân tố ảnh hưởng đến lực cắt Nhân tố ảnh hưởng đến lực cắt quy luật ảnh hưởng đến biến dạng phoi Ví dụ: - Tính chất lý vật liệu gia công ảnh hưởng lớn đến lực cắt Khi gia công vật liệu dòn, lực cắt nhỏ so với vật liệu dẻo Kim loại có độ hạt nhỏ, độ cứng cao, lực cắt lớn - Chiều sâu cắt t lượng chạy dao s tăng, lực cắt tăng, ảnh hưởng t lớn s Vận tốc cắt v ảnh hưởng đến lực cắt tương tự ảnh hưởng đến biến dạng phoi (hình 2.23) Khi v tăng đến v2 (15 ÷ 20 m/phút) lực giảm; Tiếp tục tăng đến v3 (40 ÷ 50 m/phút) lực tăng; Tiếp tục tăng lực giảm, v ≥ 200 m/phút lực không thay đổi Hiện nay, xu hướng cắt với vận tốc cắt cao (v> 50 m/phút) nên coi quan hệ v lực cắt sau: v tăng lực cắt giảm - Góc γ góc α tăng lực cắt giảm - Mỗi loại vật liệu làm dao khác có hệ số ma sát khác nên lực cắt thay đổi - Mặt sau dao mòn diện tích tiếp xúc dao mặt gia công lớn nên lực cắt tăng - Khi cắt gọt có tưới dung dịch trơn nguội, nhiệt cắt giảm, ma sát giảm nên lực cắt giảm Tổng hợp nhân tố ảnh hưởng vào công thức tính lực cắt, ta có công thức thực nghiệm sau: Pz = Cpz txpz sypz vnpz Kpz Py = Cpy txpy sypy vnpy Kpy Px = Cpx txpx sypx vnpx Kpx Trong đó: Cpz , Cpy , Cpx - Hằng số phụ thuộc nhóm vật liệu gia công xpz , ypz , npz - Số mũ mức độ ảnh hưởng t, s, v đến lực Pz xpy, ypy, npy - xpx, ypx, ypx - Số mũ mức độ ảnh hưởng t, s, v đến lực Px Số mũ mức độ ảnh hưởng t, s, v đến lực Py Kpz, Kpy, Kpx - Các hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng thông số lại thông số hình học dao (vật liệu dao, góc độ dao ) Các trị số tra sổ tay công nghệ sổ tay chế độ cắt gia công -49- Ngoài trị số lực cắt tính theo công thức khác tính theo lực cắt đơn vị (là trị số lực cắt cắt diện tích phoi mm2 ) diện tích lớp cắt cách đo trực tiếp với dụng cụ đo lực cắt Để đo lực cắt, thực tế thường dùng loại lực kế khác nhau, lực kế dựa nguyên tắc biến dạng đàn hồi phần tử làm việc chịu tác dụng lực cắt Phần tử xà đàn hồi lực kế khí, lò xo ống lực kế thuỷ lực, hay màng kim loại lực kế điện Theo nguyên lý tác dụng chia lực kế làm nhóm: lực kế khí, lực kế thuỷ lực lực kế điện Tùy vào yêu cầu đo phương pháp gia công mà dùng loại lực kế cho phù hợp c) Công suất cắt Công suất tiêu hao cắt phụ thuộc vào lực Pz Px (Py không sinh công theo phương Py chuyển vị) Công suất có ích cắt tính theo công thức : Nc = Pz v ( KW ) 60.102 Công suất có ích chạy dao : Trong đó: Ncd = Px n.s (KW) 60.103.102 Pz, Px: lực cắt thành phần (KG) n : số vòng quay chi tiết gia công (vòng/phút) s : lượng chạy dao(mm/vòng) v : tốc độ cắt ( m/phút) 1KW = 102 -1 KG.m/s Công suất cắt toàn phần tính sau: N Ctp = N C + N Cd Vì thường NCd bé nên tính toán công suất gần bỏ qua Công suất cần thiết động điện xác định: N đc = NC η (KW ) Trong đó: η - hiệu suất hữu ích máy (η = 0,7 ÷ 0,75) -50- 2.4 Lựa chọn hình dáng mặt trước thông số hình học hợp lý dao Các yếu tố hình học phần cắt dao có ảnh hưởng lớn đến lực cắt, tốc độ cắt, độ mòn dao, chất lượng bề mặt gia công Do chọn yếu tố hợp lý điều kiện cần thiết trước chọn chế độ cắt Chọn yếu tố hợp lý tạo khả đưa cao suất gia công Tùy vào loại vật liệu dao, điều kiện cắt, chế độ cắt, vật liệu gia công … mà ta chọn hình dạng hình học hợp lý dao khác a) Chọn dạng mặt trước dao - Đối với dao thép gió Dao làm thép có ưu điểm chịu uốn tốt song chịu nhiệt chịu mài mòn HKC Thường có dạng mặt trước sau (hình 2.36): 2.36 - Mặt trước phẳng cạnh vát (hình 2.36 a): dùng cho dao gia công vật liệu dòn (gang, đồng thanh), gia công thép với lượng chạy dao s < 0,2mm/vòng - Mặt trước phẳng có cạnh vát (hình 2.36b): dùng cho loại dao gia công thép có độ cứng trung bình (σb = 700-900 N/mm2) với s > 0,2 mm/vòng Cạnh vát f làm tăng sức bền lưỡi cắt; f = 0,2 ÷ 1mm Lượng chạy dao lớn chọn f lớn - Mặt trước cong cạnh vát (hình 2.36c): dùng cho lọai dao gia công thép có độ cứng thấp độ dẻo cao (σb < 700 N/mm2); với s ≤ 0,2 mm/vòng Phoi dễ dễ đứt - Mặt trước cong có cạnh vát (hình 2.36d): Thường dùng cho loại dao tiện (trừ dao tiện định hình) gia công thép có độ cứng trung bình (σb ≤ 700 – 900 N/mm2) với s > 0,2 mm/vòng Ưu điểm phoi, bẻ phoi tốt lực cắt giảm - Đối với hợp kim cứng Hợp kim cứng có đặc điểm dòn, chịu uốn song chịu mòn chịu nhiệt tốt, thường làm theo dạng sau (hình 2.37): -51- 2.37 =4 - Mặt trùc phẳng có cạnh vát âm (hình 2.37a): Dùng cắt thép có giới hạn bền σb ≥ 800 N/mm2, dùng cắt gang xám gang rèn, góc trước cạnh vát thường lấy γv = ÷ -5o, chiều rộng f = (1÷ 2) a, (a chiều dày cắt) - Mặt trước cong có cạnh vát âm (hình 2.37b): Dùng cắt thép có σb ≤ 800 N/nm2 với t= 1÷5nm, s = 0,3mm/vòng, mặt trước cong phoi dễ dễ gãy - Mặt trùc phẳng có góc trước âm kép (hình 2.37c): Dùng cắt thép có σb>800 N/nm2 lượng dư không phôi cứng vững - Mặt trùc phẳng có góc trước âm đơn (hình 2.37d): Dùng cắt thép có σb> 800 N/nm2 tốc độ cắt cao, độ cứng vững hệ thống gia công phải tốt Để tiết kiệm đá mài giảm thời gian mài dao tiện có lưỡi cắt hợp kim cứng thường tạo thêm góc sau α’để thoát đá mài b) Chọn góc độ dao hợp lý - Chọn góc trước Góc trước γ tăng biến dạng ma sát giảm, song γ tăng nhiều β giảm làm cho dao yếu, tuổi bền dao giảm Góc trước chọn dựa vào yếu tố sau: + Vật liệu gia công: Vật liệu dẻo chọn γ lớn, để giảm biến dạng giảm lực cắt; vật liệu dòn ta nhận phoi vụn, tải trọng tập trung mũi dao nên chọn góc trước nhỏ để làm tăng tuổi bền dao + Vật liệu làm dao: Đối với vật liệu làm dao chịu uốn tốt nên chọn góc trước có trị số lớn để giảm ma sát biến dạng cắt Đối với vật liệu làm dao dòn nên chọn γ nhỏ (thường γv < 0) để tránh lưỡi dao bị vỡ cắt + Điều kiện gia công: Khi gia công thô, chọn γ lớn để giảm lực Pz Gia công tinh chọn γ nhỏ để tăng góc sau α - Chọn góc sau α -52- Nhân tố ảnh hưởng chủ yếu α chiều dày cắt a Khi a giảm ma sát mặt sau tăng, dao chóng mòn làm cho lực cắt Py tăng Vì gia công tinh nên chọn α lớn - Chọn góc nghiêng ϕ góc nghiêng phụ ϕ1 Các góc có ảnh hưởng lớn đến độ cứng vững hệ thống công nghệ Trong cắt s t không đổi, cho góc ϕ thay đổi thông số diện tích lớp cắt a, b thay đổi, dẫn đến thành phần lực thay đổi Thực nghiệm cho thấy ϕ lớn rung động ít, tăng độ cứng vững Còn ϕ1 nhỏ độ bóng tăng - Chọn góc nâng lưỡi cắt λ Góc nâng lưỡi cắt λ có ảnh hưởng đến phương thoát phoi, sức bền lưỡi cắt điều kiện cắt vào kim loại điểm lưỡi cắt Mũi dao thấp λ > 0, lúc điểm tiếp xúc dao chi tiết nằm phía đỉnh dao dao bị mẻ Nếu λ < điểm tiếp tiếp xúc nằm đỉnh dao có tải trọng va đập đầu dao dễ bị vỡ + Khi gia công thô nên chọn λ > để đầu dao bền + Khi gia công tính nên chọn λ < để phoi không đập vào bề mặt gia công + Khi gia công có va đập dao hợp kim cứng, sứ kim cương chọn λ ≥ - Chọn bán kính mũi dao r Bán kính mũi dao lớn, độ bóng gia công cao, đồng thời truyền nhiệt tốt làm tuổi bền dao tăng, (1,2 –1,5) s r lớn dễ dây rung động Để làm tăng độ bóng bề mặt gia công, dao có lưỡi cắt ngang với chiều dài (1,2÷1,5)S (Hình 2.38) Trị số góc bán kính mũi dao tra sổ tay công nghệ chế tạo máy ϕo ϕ Hình 2.38 Lưỡi cắt ngang dao 2.5 Xác định chế độ cắt hợp lý gia công Chế độ hợp lý chế độ cắt đảm bảo suất cao, giá thành hạ đạt chất lượng yêu cầu chi tiết gia công Ngoài phải tận dụng khả vật liệu làm dao Xác định chế độ cắt bao gồm: - Chọn đặc tính dao phù hợp với điều kiện gia công (vật liệu phần cắt, phần thân, tuổi bền dao, hình dáng thông số hình học phần cắt, kích thước thân dao) - Xác định yếu tố chế độ cắt : t, s, v -53- - Tính công suất máy cần thiết phải kiểm nghiệm lại độ bền, độ cứng vững số cấu máy - Tính thời gian gia công Nếu gọi Q suất máy, ta có công thức gần sau: T0 Q≈ Trong T0 = L.h thời giam gia công (phút) n.s.t L - chiều dài hành trình dao s - lượng chạy dao t - chiều sâu cắt h - lượng dư gia công n - số vòng quay trục n= Cho nên : Q ≈ 1000 ν (vòng/phút) πD 100.v.s.t L.h.π D Vì L, h, D đại lượng biết ta đặt: A= Khi ta có: 1000 Lh.πD Q≈A.v.s.t Như suất tỷ lệ với yếu tố chế độ cắt Tuy nhiên yếu tố cắt ảnh hưởng đến suất mức khác Từ công thức quan hệ vận tốc cắt tuổi bền dao: ν= Suy ra: CV T t xv s yv Tm = m CV v.t xv s yv Kv Kv Ta thấy vận tốc ảnh hưởng đến tuổi bền nhiều nhất, s cuối t (1>yv>xv) Do đứng quan điểm tuổi bền dao mà xét, nên chọn yếu tốc cắt theo thứ tự từ t, đến s, đến v Ví dụ để xác định chế độ cắt tiện cần phải biết vật liệu gia công, kích thước chi tiết gia công, yêu cầu kỹ thuật số liệu động học, động lực học máy -54- Chế độ cắt thường tiến hành theo trình tự sau đây: 1/ Chọn dụng cụ cắt Vật liệu dao (phần cắt phần thân) chọn phụ thuộc vào vật liệu gia công, đặc tính phôi, trạng thái bề mặt phôi điều kiện cắt Đồng thời ta chọn tuổi bền dao theo tiêu chuẩn Xác định thông số hình học dao phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, dạng gia công (thô hay tinh) độ cứng vững hệ thống công nghệ v.v… 2/ Chọn chiều sâu cắt - Chọn t lớn tốt, tốt nhâùt t = h (lượng dư gia công) cần ăn dao lần - Khi gia công thô chọn t = h - Khi gia công bán tinh (h > 2mm) nên cắt hai lần: Lần thứ ⎛2 3⎞ t1 = ⎜ + ⎟ h ⎝3 4⎠ Lần thứ hai ⎛ 1⎞ t2 = ⎜ + ⎟ h ⎝ 3⎠ - Khi gia coâng tinh cần đạt độ bóng cao, cắt 3, lần Chiều sâu cắt lần cuối tra sổ tay công nghệ chế tạo máy 3/ Xác định lượng chạy dao S a) Khi tiện thô phải chọn S thỏa mãn điều kiện - Sức bền thân dao - Sức bền cấu chạy dao - Độ cứng vững chi tiết gia công Trình tự thực sau: - Chọn Smáy (trị số tra thuyết minh máy thưc gia công) qua sổ tay “Chế độ cắt gia công cơ” sổ tay “Thiết kế công nghệ chế tạo máy – tập 1” - Tính vận tốc cắt V công thức thực nghieäm: V= CV T m t xv S may yV K V (m / phut ) - Kieåm tra điều kiện trên: + Đảm bảo sức bền thân dao Khi cắt tác dụng lực PZ , dao gãy uốn (hình 2.39) Để đảm bảo dao làm việc tốt: Mu = Pz.l ≤ [Mu] = W[σu] -55- [σu]- Ứng suất uốn cho phép vật liệu thân dao (N/mm2) W – Môđuyn chống uốn mm3 Đối với dao có tiết diện thân hình chữ nhật thì: W= BH (mm ) B : Chiều rộng thân dao Hình 2.39 Sơ đồ lực tác dụng lên dao H : Chiều cao thân dao Đối với dao thân tròn: πD W= (mm ) 32 D: Đường kính thân dao Từ công thức ta có: (trường hợp tiết diện thân hình chữ nhật) Pz l ≤ [σ u ] BH hay BH [σ u ] + Đảm bảo sức bền cấu chạy dao C Pz t x Pz s may y Pz v nPz K Pz l ≤ Khi cắt, lực hướng trục có xu hướng chống lại chuyển động dao Nếu lực lớn làm hư hại phần truyền động cấu mang dao Vì phải chọn S hợp lý để cấu an toàn Trong thuyết minh máy thøng cho lực hướng trục cho phép [Px] Muốn làm việc được: Px + f.(Pz + Py) ≤ [Px] Trong : f- hệ số ma sát bàn dao sống trượt máy (thường f = 0,1) Vì : Nên: Py PZ ≈ Px , = PZ [Px] ≥ 1,45Px = 1,45 CPx txpx smáyypx vnpx Kpx + Đảm bảo độ cứng vững chi tiết gia công Khi tiện chi tiết dài, đường kính bé lực hướng kính mà chi tiết bị uốn cong Tùy theo phương pháp kẹp chi tiết mà độ võng lớn, nhỏ khác Do chi tiết chế tạo dạng hình trụ ta muốn mà có dạng hình tang trống Trong thực tế thường có phương pháp kẹp hình 2.40: -56- l a) K=3 Py l b) K = 100 Py l c) K = 48 Py Hình 2.40 Các phương pháp gá đặt máy tiện Ba kiểu kẹp chi tiết tương ứng với loại dầm nghiên cứu giáo trình sức bền vật liệu Độ võng f dầm lực Py gây tính theo công thức: f = Trong đó: Py l K E J l - Chiều dài chi tiết gia công (mm) K - Hệ số phụ thuộc cách gá đặt (hình 2.40) E - Môduyn đàn hồi vật liệu gia công J- Mômen quán trình tiết diện chi tiết gia công (mm4) J= πD 64 ≈ 0,05 D (mm ) Py- Lực hướng kính Điều kiện thỏa mãn gia công đạt độ xác yêu cầu chi tiết: f ≤ [f ] C py t x py s y py v n py K py l K E J ≤ [f ] Khi tiện thô độ võng cho phép [f] = 0,2÷0,4mm, tiện bán tính [f] = 0,1mm tiện tinh [f] = 0,2δ; δ dung sai kích thước gia công Thường lấy [f] = 0,25δi (δi dung sai kích thước bước thực hiện) b) Khi gia công tinh lượng chạy dao bị hạn chế độ nhám bề mặt Trường hợp bán kính mũi dao r ≠ ta có quan hệ: -57- S2 8r H: chiều cao nhấp nhô bề mặt lớn cho phép H= S: lượng chạy dao r: bán kính mũi dao Từ ta tính lượng chạy dao gia công tinh: S2= H.8r 3/ Tính số vòng quay vận tốc cắt thực 1000.V (vog / phut ) π D Số vòng quay n tính cần so sánh với số vòng quay có thực máy, gặp trường hợp : Số vòng quay trục tính sau: n= n1máy < n < n2máy Trong n1máy n2máy hai tốc độ có máy gia công, kề sát phía phía n Nếu n có trị số sát với n2máy, ta chọn n2máy phải giảm lượng chạy dao cấp: Smáy-1 Nếu n có trị số sát với n1máy, chọn n1máy giữ nguyên Smáy chọn So sánh hai tích: (n1máy Smáy) (n2máy Smáy-1), tích lớn chọn phương án có số vòng quay lượng chạy dao thời gian gia công T0 nhỏ 4/ Kiểm nghiệm động lực máy Nc ≤ Nđc.η - Muốn cắt thì: PZ V ≤ N đc η 60.102 Hay: - Mômen xoắn trục [Mx] cho thuyết minh máy nên: Pz D ≤ [M x ] Trong đó: D - đường kính chi tiết gia công 5/ Thời gian gia công Là thời gian trực tiếp làm thay đổi hình dáng, kích thước tính chất lý chi tiết gia công Thời gian thực máy công cụ, thực bàn nguội lò nhiệt luyện Thời gian gia công máy tiện tính sau: T0 = L.h ( phuùt ) n.S.t -58- ... 40% Các loại vật liệu nhân tạo sử dung rộng phổ biến tính ưu việt giá thành phù hợp -3 0- 2. 3 Cơ sở vật lý trình cắt kim loại Quá trình cắt gọt kim loại trình phức tạp có nhiều tượng vật lý kèm... sản xuất 2. 2 .2 Các loại vật liệu chế tạo dụng cụ cắt Vật liệu dụng cụ cắt thường chế tạo từ nhóm vật liệu sau đây: - Thép cacbon dụng cụ - Thép hợp kim dụng cụ - Thép gió - Hợp kim cứng - Vật liệu... tay công nghệ chế tạo máy ϕo ϕ Hình 2. 38 Lưỡi cắt ngang dao 2. 5 Xác định chế độ cắt hợp lý gia công Chế độ hợp lý chế độ cắt đảm bảo suất cao, giá thành hạ đạt chất lượng yêu cầu chi tiết gia công