Cơ sở thiết kế máy và robot - Chương 2: Cơ sở lý thuyết cắt gọt kim loại

h bề mặt 2.1.5- Các phƣơng pháp cắt kim loại 3 2.1- Khái niệm chung về cắt gọt kim loại  Gia công kim loại bằng cắt gọt là dùng một dụng cụ cắt (dao) để bóc đi lớp “kim loại dƣ” khỏi phôi để tạo nên chi tiết phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cho trƣớc.  Lớp “kim loại dƣ” gọi là lƣợng dƣ gia công (Zb)  khi tách ra khỏi phôi đƣợc gọi là “phoi”. 4 2.1.1- Định nghĩa cắt gọt kim loại 5 2.1.2- Hệ thống công nghệ Máy Dao Phôi Gá n s 2.1.3- Các dạng bề mặt chi tiết máy thƣờng gặp 6 a) b) c) • Chuyển động cắt chính: Là chuyển động cơ bản để tạo ra phoi cắt, chuyển động tiêu hao năng lƣợng cắt lớn nhất • Chuyển động chạy dao: Là chuyển động cần thiết để tiếp tục tạo ra phoi cắt • Chuyển động phụ: Bao gồm các chuyển động nhƣ đƣa dao vào, lùi dao ra, chạy dao về cắt lần hai ... 7 2.1.4- Các chuyển động tạo hình bề mặt 8 1 chi tiết gia công a) 1 2 c) d) b) • Để đặc trƣng cho chuyển động cắt chính, thƣờng sử dụng hai đại lƣợng: – Vận tốc cắt v (tại một điểm) hay còn gọi tốc độ cắt: Là lƣợng dịch chuyển tƣơng đối giữa lƣỡi cắt và chi tiết gia công trong một đơn vị thời gian (m/phút) – Số vòng quay n (hoặc số hành trình kép) trong đơn vị thời gian (vòng/phút) 9 Chuyển động cắt chính và vận tốc cắt ● Vận tốc cắt v : ● Nếu chuyển động chính là chuyển động tịnh tiến, thì giữa vận tốc cắt (m/phút), số hành trình kép n (htk/phút) và chiều dài hành trình L (mm) có quan hệ sau: 10 )/( 1000 phm nD V    )/( 1000 ..2 phm nL V  • Để đặc trƣng cho chuyển động chạy dao, ta sử dụng lƣợng chạy dao • Lƣợng chạy dao có thể là lƣợng chạy dao vòng, lƣợng chạy dao phút – Lƣợng chạy dao khi tiện là khoảng dịch chuyển của dao theo phƣơng chuyển động chạy dao sau một vòng quay của chi tiết gia công: ký hiệu: S; đơn vị: mm/vòng. 11 Chuyển động chạy dao và lƣợng chạy dao Lƣợng chạy dao khi phay: Lƣợng chạy dao phút : Sph = S. n (mm/ph) Lƣợng chạy dao răng SZ=S/z (mm/răng) Trong đó: S là lƣợng chạy dao vòng, n là số vòng quay của dao trong một phút (vòng/ph) z: số răng của dao 12 Lượng chạy dao khi bào, xọc: ký hiệu: Sk ; đơn vị: mm/htk. 13 Các bề mặt hình thành khi gia công cắt gọt 1-Mặt chưa gia công 2-Mặt đang gia công 3-Mặt đã gia công • Chiều sâu cắt t (mm) là khoảng cách giữa bề mặt đã gia công và bề mặt chƣa gia công đo theo phƣơng vuông góc với mặt đã gia công. • Khi tiện chiều sâu cắt đƣợc tính theo công thức D : Đƣờng kính chi tiết trƣớc khi gia công (mm). d: Đƣờng kính chi tiết sau khi gia công (mm). 14 Chuyển động phụ và chiều sâu cắt )( 2 mm dD t    Xuất phát từ nguyên lý tạo hình bề mặt : định hình, chép hình, bao hình, theo vết.  Xuất phát từ máy cắt kim loại : tiện, phay, bào, mài  Xuất phát từ yêu cầu chất lƣợng chi tiết gia công: gia công thô, gia công tinh  Xuất phát từ bề mặt chi tiết gia công: gia công mặt phẳng, gia công mặt tròn xoay, mặt đặc biệt 15 2.1.5- Các phƣơng pháp cắt gọt kim loại 16 Mẫu Chi tiết Dao b) Chi tiết Dao a) Dao Chi tiết c) Hình 2.4 Các phương pháp cắt gọt kim loại. . 17 2.2.1- Kết cấu tổng quát của dao tiện ngoài 2.2.2- Thông số hình học dao khi thiết kế 2.3.2- Thông số hình học dao khi làm việc 2.2.4- Thông số hình học tiết diện phoi cắt 18 2.2- Khái niệm cơ bản về dụng cụ cắt  Dụng cụ cắt hay còn gọi là dao cắt là một thành phần trực tiếp tác động vào phôi, nó góp phần quyết định năng suất, chất lƣợng của quá trình sản xuất  Có rất nhiều loại dao cắt dùng trên các máy khác nhau nhƣng xét cho cùng, dù chúng có phức tạp đến đâu, phần cắt của chúng đều có cấu tạo về cơ bản giống nhƣ dao tiện ngoài. 19 2.2.1- Kết cấu tổng quát của dao tiện ngoài 20 Cấu tạo dao tiện ngoài 21 • Mặt trƣớc (1) là mặt mà phoi sẽ tiếp xúc và theo đó thoát ra trong quá trình cắt. • Mặt sau chính (2) là mặt dao đối diện với mặt đang gia công. • Mặt sau phụ (3) là mặt dao đối diện với mặt đã gia công. • Các mặt này có thể là mặt phẳng hoặc cong. Giao tuyến của chúng tạo thành các lƣỡi cắt của dao 22 Các mặt trên phần cắt của dao • Lƣỡi cắt chính (5) là giao tuyến của mặt trƣớc và mặt sau chính, giữ nhiệm vụ trực tiếp cắt gọt ra phoi trong quá trình cắt • Lƣỡi cắt phụ (6) là giao tuyến của mặt trƣớc và mặt sau phụ. Trong quá trình cắt một phần lƣỡi cắt phụ cũng tham gia cắt (rất nhỏ, khoảng ½.S). Dao có thể có một mặt sau phụ hay nhiều mặt sau phụ và do đó có một hay nhiều lƣỡi cắt phụ. • Phần nối tiếp giữa các lƣỡi cắt gọi là mũi dao (4) 23 Các lƣỡi cắt của dao tiện  Các mặt toạ độ qui ƣớc:  Mặt cắt (tool cutting edge plane - ký hiệu C): là mặt phẳng đi qua 1 điểm của lƣỡi cắt chính và tiếp xúc với mặt đang gia công.  Mặt đáy (base plane - ký hiệu Đ): là mặt phẳng đi qua 1 điểm của lƣỡi cắt chính và vuông góc với vectơ tốc độ cắt.  Tiết diện chính N-N, tiết diện phụ N1-N1 và các tiết diện X-X, Y-Y 24 2.2.2- Thông số hình học dao khi thiết kế 7/12/2015 25 Các mặt tọa độ (co-ordinate planes) • Mặt cắt (tool cutting edge plane) • Mặt đáy (base plane) • Tiết diện chính (cutting edge orthogonal plane) • Tiết diện phụ (minor edge orthogonal plane) • Tiết diện dọc (back section) • Tiết diện ngang (side section) 26 Hinh 2.8b : Mặt phẳng cắt và mp đáy của dao lưỡi cắt thẳng i .11a : ặt phẳng cắt và mp đáy củ dao lưỡi cắt thẳng 27 Hình 2.11b : Mặt phẳng cắt và mặt phẳng đáy của dao lưỡi cắt cong 28 7/12/2015 29 Hình 1 S V Vẽ mặt cắt mặt đáy ở sơ đồ tiện 7/12/2015 30 Vẽ mặt cắt mặt đáy ở sơ đồ bào C Đ 7/12/2015 31 Vẽ mặt cắt mặt đáy ở sơ đồ xọc C Đ 7/12/2015 32 C Đ 33 Các mặt toạ độ để nghiên cứu dụng cụ cắt ● Hệ tọa độ xác định đƣợc thành lập trên cơ sở của ba chuyển động cắt (s,t,v)  tƣơng ứng với các phƣơng của hệ tọa độ Đề Các (x,y,z). ● Mặt cơ bản 1 (x-x) đƣợc tạo bởi véctơ tốc độ cắt và véctơ chạy dao . ● Mặt cơ bản 2 (y-y) đƣợc tạo bởi véc tơ tốc độ cắt và véctơ chiều sâu cắt . ● Mặt cơ bản 3 (còn gọi là mặt đáy – ký hiệu Đ) đƣợc tạo bởi véctơ chạy dao và véctơ chiều sâu cắt . 34 Các mặt toạ độ để nghiên cứu dụng cụ cắt • Quá trình thiết kế, thông số hình học của dao đuợc xét trong tiết diện chính N-N và tiết diện phụ N1-N1, vì phoi thƣờng đƣợc thoát ra theo các phƣơng của tiết diện đó, kéo theo các hiện tƣợng vật lý xảy ra trong quá trình cắt. • Trong tiết diện chính ta có các góc chính, trong tiết diện phụ ta có các góc phụ 35 Thông số hình học dụng cụ cắt 36 Tiết diện chính N-N Tiết diện phụ N1-N1 Nhìn theo K 37 38 Thông số hình học của dao ở mặt cắt N-N tại mũi dao 39 Thông số hình học của dao ở mặt cắt N-N tại điểm B bất kỳ trên lƣỡi cắt • Góc trƣớc chính : là góc giữa mặt trƣớc và mặt đáy đo trong tiết diện chính. 40 Thông số hình học dụng cụ cắt  Góc  có ảnh hƣởng đến quá trình thoát phoi khi cắt. Góc sau chính  : Là góc giữa mặt sau chính và mặt cắt đo trong tiết diện chính. • Góc sau ảnh hƣởng tới quá trình cắt và độ nhám bề mặt • Góc  và góc  là hai góc độc lập đƣợc chọn trƣớc tùy theo yêu cầu gia công (vật liệu, chất lƣợng bề mặt gia công ), còn hai góc  và  là hai góc phụ thuộc vào góc  và . 41 Thông số hình học dụng cụ cắt Góc sắc chính  :  là góc giữa mặt trƣớc và mặt sau chính đo trong tiết diện chính.  +  +  = 90 (độ) 42 Thông số hình học dụng cụ cắt Góc cắt chính  : là góc giữa mặt trƣớc và mặt cắt đo trong tiết diện chính. Góc nghiêng của lƣỡi cắt: • Góc nghiêng chính : là góc giữa hình chiếu của lƣỡi cắt chính trên mặt đáy và phƣơng chạy dao. • Góc nghiêng phụ 1: là góc giữa hình chiếu của lƣỡi cắt phụ trên mặt đáy và phƣơng chạy dao. 43 Thông số hình học dụng cụ cắt Mặt đáy 1 2 3 3’ 1’ 2’ ω φ φ1 • Góc mũi dao : là góc giữa hình chiếu của lƣỡi cắt chính và lƣỡi cắt phụ trên mặt đáy.  +  + 1 = 180 0 • Góc nâng  : Khi lƣỡi cắt chính thẳng thì  là góc đo giữa lƣỡi cắt chính và hình chiếu của nó trên mặt phẳng đáy. Khi lƣỡi cắt chính cong,  là góc đo giữa tiếp tuyến tại một điểm bất kỳ trên lƣỡi cắt chính và hình chiếu của nó trên mặt phẳng đáy. 44 Góc mũi dao và góc nâng của lƣỡi cắt 45 Hình 2.11- Góc nâng  a) Lưỡi cắt chính thẳng b) Lưỡi cắt chính cong b)   b a • Góc  có thể dƣơng, âm hay bằng 0 và có ảnh hƣởng đến phƣơng thoát phoi •  dƣơng khi mũi dao là điểm thấp nhất của lƣỡi cắt •  âm khi mũi dao là điểm cao nhất •  = 0 khi lƣỡi cắt song song với mặt đáy 46 Trị số của  47 48 49 Các yếu tố ảnh hƣởng đến góc độ dao:  Khi gá dao, trục dao không vuông góc với đƣờng tâm chi tiết  Khi gá mũi dao không ngay tâm của chi tiết  Do ảnh hƣởng của chuyển động chạy dao 50 2.3.2- Thông số hình học dao khi làm việc • Trƣờng hợp gá dao đúng nhƣ khi thiết kế, trục dao vuông góc với trục chi tiết gia công thì  và 1 không đổi 51 Khi gá dao, trục dao không vuông góc với đƣờng tâm chi tiết • Nếu trục dao đƣợc gá không vuông góc với trục chi tiết gia công mà xoay đi một góc  so với trục chi tiết thì  và 1 sẽ biến đổi nhƣ sau 52 53 Khi gá mũi dao thấp hơn hay cao hơn đƣờng tâm của chi tiết Mp cắt a) O +h μ1 αg γg μ1 Mặt phẳng cắt O -h μ1 αg γg b) μ1 Gá dao cao tâm: γg = γt +μ1 αg = αt – μ1 Gá dao thấp tâm: γg = γt – μ1 αg = α + μ1  Khi tiện có chuyển động chạy dao dọc hoặc ngang nên mặt cắt và mặt đáy thay đổi vị trí đƣa đến góc ,  cũng thay đổi  Trong những trƣờng hợp cần sử dụng lƣợng chạy dao lớn nên chú ý đến sự thay đổi của các góc ,  . Ví dụ: cắt đứt, tiện ren bƣớc lớn 54 Do ảnh hƣởng của chuyển động chạy dao 55 Khi tiện cắt đứt, góc dao thay đổi 56 Góc độ dao thay đổi khi cắt đứt Góc độ dao thay đổi khi tiện trụ trơn 7/12/2015 57 Do thay đổi hình dạng chi tiết (tiện chép hình cam) B   Tại vị trí C góc sau bị âm, không cắt được C   C A   • Các yếu tố của chế độ cắt chủ yếu đặc trƣng cho quá trình cắt về mặt năng suất, chƣa giải thích đầy đủ bản chất vật lý của quá trình cắt. • Để có thể hiểu đƣợc đầy đủ hơn về bản chất của quá trình cắt, cần có khái niệm về thông số hình học của lớp kim loại bị cắt (tiết diện phoi cắt) khi cắt gọt. 58 2.3.4- Thông số hình học tiết diện phoi cắt 59  Tiết diện và thông số hình học lớp cắt. H = Rz - Chiều rộng cắt b (mm) - Chiều dày cắt a (mm) - Diện tích lớp cắt F: F = a.b = S.t (mm2) S S S t b a b a  30 a b    45 60 sin t b  sinSa  Quan hệ giữa Rz và S, φ, φ1 1cotgcotg S   zR 61 r S Rz 8 2  • 1- Những yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt • 2- Các loại vật liệu chế tạo dụng cụ cắt – Kể tên – Độ cứng – Độ bền nhiệt – Vận tốc cắt – Công cụng chủ yếu 62 2.2- Vật liệu chế tạo dụng cụ cắt  Độ cứng  Độ bền cơ học  Độ chịu nhiệt  Độ chịu mài mòn  Tính công nghệ  Tính kinh tế 63 1- Những yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt • Thép cacbon dụng cụ. • Thép hợp kim dụng cụ. • Thép gió. • Hợp kim cứng. • Vật liệu sứ. • Kim cƣơng • Nitrit Bo lập phƣơng • Vật liệu mài và các vật liệu tổ hợp khác. 64 2- Các loại vật liệu chế tạo dụng cụ cắt Thành phần hóa học: Cacbon từ: 0,7  1,5%. Các thành phần hợp kim (Mn, Si, P, Cr, Ni) không vƣợt qúa 0,1  0,3%  Ký hiệu thép cacbon dụng cụ: loại tốt: CD70, CD80, CD80Mn, CD100 loại chất lƣợng cao: CD70A, CD80A, CD80MnA 65 Thép cacbon dụng cụ  Độ bền nhiệt thấp, chỉ thích hợp với nhiệt độ 2000C – 2500C nên chỉ làm việc ở tốc độ cắt thấp (4  5 m/ph).  Độ cứng ở trạng thái tôi: 60  62 HRC. Song vì độ thấm tôi thấp do đó lõi có độ dẻo nhất định, thích hợp cho việc chế tạo một số dụng cụ cắt nhƣ đục, dũa 66 Thép cacbon dụng cụ  Thép hợp kim dụng cụ là thép cacbon dụng cụ có thêm vào một số nguyên tố hợp kim, hàm lƣợng vào khoảng 0,5  5% để:  tăng tính chịu nhiệt, chịu mài mòn : Crôm, Vonfram  tăng tính thấm tôi: Vanadi  Ký hiệu thép hợp kim thông dụng: 70CrV, 80CrV, 110Cr, 40Cr5W2Vsi 67 Thép hợp kim dụng cụ (tcvn 1823-76)  Độ cứng ở trạng thái tôi: đến 62 HRC.  Độ bền nhiệt vào khoảng: 3500C  4000C. Tốc độ cắt tăng 20% so với thép cacbon dụng cụ.  Thƣờng dùng chế tạo các dụng cụ cắt bằng tay nhƣ lƣỡi cƣa, mũi đột dấu, bàn ren, tarô, dao cạo nguội. 68 Thép hợp kim dụng cụ Thép gió cũng là loại thép hợp kim dụng cụ nhƣng hàm lƣợng hợp kim Vonfram cao từ 5  20%, nên có tính chịu mòn và tính chịu nhiệt tăng cao. Thép gió đƣợc sử dụng rộng rãi vì tốc độ cắt có thể nâng cao gấp 2  4 lần, tuổi bền nâng cao từ 8  15 lần so với thép cacbon và thép hợp kim dụng cụ (25 - 35 m/ph) Ngƣời ta còn thêm Vanadi và Coban để nâng cao độ chịu nhiệt và dùng gia công các loại thép hợp kim có độ cứng cao 69 Thép gió (chƣa có tiêu chuẩn Việt Nam) Độ cứng ở trạng thái tôi: 60  70 HRC. Thép gió có thể cắt ở tốc độ: từ 25  35 m/phút. Độ bền nhiệt: 4000  6000 C.  Mác thép gió tiêu chuẩn Nga (roct 19265-73): P9, P18, P95.P9K5, P9K10, P10K55.  Mác thép gió theo tiêu chuẩn Mỹ (Hệ thống ký hiệu AISI): M1, M2, M3(Thép gió Molipden): T1, T2, T4,(Thép gió Vonfram). 70 Thép gió  Mác thép gió theo tiêu chuẩn Đức: S12-1-4-5, S10-4-3-10,(hay HS12-1-4-5)  Mác thép gió theo tiêu chuẩn Nhật (JIS G4403- 83): SKH2, SKH3, 71 Thép gió • Hỗn hợp những cacbit có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng rất cao (WC, TiC, TaC) với chất kết dính coban, sắt, niken (Co, Fe, Ni) có khả năng chống mài mòn cao, chịu đƣợc môi trƣờng ăn mòn và nhiệt độ cao. • Chế tạo các dụng cụ cắt, khuôn cối, khoan địa chất và nhiều lĩnh vực đặc biệt khác 72 Hợp kim cứng (hard metal) Thành phần chủ yếu là: - Các-bít Vônfram (WC) - Các-bít Titan (TiC) - Các-bít Tantan (TaC) ở dạng hạt mịn, trộn với Côban (Co) sau đó đem ép và thiêu kết ở nhiệt độ, áp suất cao. Độ cứng của HKC  70HRC. HKC có thể làm việc ở nhiệt độ 8000  10000 C với tốc độ cắt lớn hơn 400m/ph 73 Thành phần HKC, PP chế tạo • Nhóm 1 Cacbit • Nhóm 2 Cacbit • Nhóm 3 Cacbit 74 Ngƣời ta chia HKC ra làm 3 nhóm: • Tổ chức: WC + Co • Ký hiệu: BK (con số sau chữ K chỉ lƣợng Coban còn lại là lƣợng WC). • Ví dụ: BK8 (có 8%Co: 92%WC) • Nhóm BK dẻo hơn cả nên chịu va đập tốt hơn, chịu nhiệt thấp nên thƣờng dùng gia công gang, các loại thép cứng (thép đã tôi, thép không rỉ, thép chịu nóng) và kim loại màu. 75 Nhóm 1 Cacbit • Tổ chức: WC + TiC +Co • Ký hiệu: TK (con số sau chữ T chỉ lƣợng TiC, con số sau chữ K chỉ lƣợng Coban, còn lại là lƣợng WC). • Ví dụ: T15K6 (có 15% TiC, 6% Co, 79%WC). • Nhóm TK có độ cứng và tính chịu nhiệt tốt hơn, đồng thời ở nhiệt độ cao thì hệ số ma sát giảm. Thƣờng dùng gia công thép. 76 Nhóm 2 Cacbit Tổ chức: WC + TiC + TaC + Co Ký hiệu: TTK (con số sau chữ TT chỉ lƣợng TiC+TaC, con số sau chữ K chỉ lƣợng Coban, còn lại là lƣợng WC). Ví dụ: TT7K12 (có7% TiC+TaC, 12%Co, 81%WC). Nhóm TTK dùng gia công vật liệu có độ cứng và độ bền cao. 77 Nhóm 3 Cacbit • Theo ISO, tất cả các loại HKC đƣợc phân làm 3 nhóm: P, K và M • Nhóm P đƣợc dùng gia công thép đúc, gang dẻo (cho ra phoi dây) • Nhóm K đƣợc dùng gia công gang xám, kim loại màu (cho ra phoi vụn, xếp lớp) • Nhóm M đƣợc dùng gia công vật liệu khó gia công, thép chịu nhiệt, thép không rỉ, gang có độ cứng cao • Mỗi nhóm trên đƣợc phân thành các nhóm nhỏ 78 Tiêu chuẩn ISO Bảng so sánh mác HKC của Nga và ISO Theo ISO Theo Nga Ứng dụng K01 K10 K20 K30 K40 BK2; BK3M BK6M BK6 BK4 BK8 Gia công gang, hợp kim màu và vật liệu phi kim M10 M20 TT10K8A TT10K8B Sử dụng cho mọi trường hợp P01 P10 P20 P25 P30 P40 P50 T30K4 T15K6 T14K8 TT20K9 T5k10 TT7K12; T15K12B T17K15 Gia công thép ủ và thép sau nhiệt luyện 79 80 Hình dáng mảnh HKC, cách ghép vào cán • Tráng phủ bề mặt HKC bằng carbide titan, nitrade titan, oxide nhôm nhằm: – Tăng tính chống mài mòn – Tăng độ dai va đập, tính ổn định hóa học – Giảm ma sát – Cải thiện hiệu suất cắt gọt, tăng tuổi bền 81 Tráng phủ HKC (hard surfacing) • Là loại vật liệu rẻ tiền, có tính năng cắt gọt tốt, chịu nóng, chịu mài mòn cao • Sứ có độ cứng 92  93 HRC và có độ chịu nhiệt từ 11000 12000. Tuổi bền dao sứ gấp 2  3 lần dao hợp kim cứng. Dao sứ có thể cắt đến tốc độ 600m/phút • Khuyết điểm chủ yếu của sứ là giòn, giới hạn bền uốn thấp, không chịu đƣợc va đập, rung động và rất khó mài sắc 82 Vật liệu sứ • Kim cƣơng có độ cứng cao hơn hợp kim cứng từ 5  6 lần, tính dẫn nhiệt cao hơn từ 1,5  2,5 lần. Độ chịu nhiệt thấp, từ 800  10000C. • Tốc độ cắt có thể lên tới hàng ngàn m/phút. • Nhƣợc điểm của kim cƣơng cứng là giòn, dễ vỡ • Hiện nay kim cƣơng chủ yếu dùng chế tạo đá mài để mài sắc và mài bóng dụng cụ cắt. 83 Kim cƣơng • Tổng hợp từ Bo (44%) và Nitơ (56%). • Chịu nhiệt cao: 20000 C • Dùng làm hạt mài trong các dụng cụ mài 84 Nitrit Bo lập phƣơng (el-bo hoặc borazon)  Dùng chế tạo các loại đá mài, thanh mài, thỏi và làm giấy nhám  Vật liệu thiên nhiên: Kim cƣơng, oxýt nhôm (Al2O3), thạch anh (SiO2)  Vật liệu nhân tạo: Kim cƣơng nhân tạo, oxyt nhôm điện (thu từ lò điện luyện quặng Bôxít), cacbít silic (SiC), cacbít Bo (B4C), oxyt crom 85 Vật liệu hạt mài 2.4.1- Quá trình tạo phoi 2.4.2- Các dạng phoi cắt 2.4.3- Quá trình hình thành bề mặt gia công và hiện tƣợng cứng nguội 2.4.4- Hiện tƣợng lẹo dao 2.4.5- Hiện tƣợng co rút phoi 2.4.6- Hiện tƣợng lực cắt 2.4.7- Hiện tƣợng nhiệt 2.4.8- Hiện tƣợng rung động 2.4.9- Hiện tƣợng mài mòn dao và vấn đề tuổi bền dao 86 2.4- Cơ sở vật lý của quá trình cắt kim loại a) Sự biến dạng của kim loại: - Là quá trình làm thay đổi hình dạng của kim loại do tác dụng của tải trọng bên ngoài hay của các hiện tƣợng vật lý. - Có các dạng: (tùy mức độ tải trọng tác dụng) - Biến dạng đàn hồi - Biến dạng dẻo - Phá hủy 87 2.4.1- Quá trình tạo phoi 88 2.4.1- Quá trình tạo phoi Biểu đồ kéo kim loại Điểm b: giới hạn bền của kim loại Điểm c: điểm đứt của kim loại 89 2.4.1- Quá trình tạo phoi Hình 2.30 Quá trình tạo phoi Phoi đƣợc tách ra khỏi chi tiết khi cắt không theo phƣơng vận tốc cắt v (tức là phƣơng lực tác dụng) và bị xếp lớp.  Phoi khi cắt ra bị uốn cong về phía mặt tự do, kích thƣớc của phoi bị thay đổi so với lớp cắt khi còn trên phôi.  Phoi ngắn hơn nhƣng dày hơn so với lớp kim loại trên phôi . Việc thay đổi kích thƣớc phoi nhƣ vậy gọi là hiện tƣợng co rút phoi. 90 2.4.1- Quá trình tạo phoi 91 Thí nghiệm nén và cắt kim loại Thực chất quá trình tách phoi ra khỏi chi tiết là quá trình biến dạng của các phần tử kim loại dưới sức ép của đầu dao. • Quá trình hình thành phoi cắt là quá trình biến dạng trƣợt của các phần tử kim loại theo các mặt trƣợt của chúng. 92 Thí nghiệm quan sát sự dịch chuyển của các phần tử khi cắt 2.4.2- Các dạng phoi cắt 93 a) b) c) d) e) Phoi dây Phoi xếp Phoi vụn • Phoi vụn: khi gia công vật liệu giòn nhƣ gang, đồng thau cứng • Phoi xếp: Khi gia công vật liệu dẻo nhƣ thép, đồng thau mềm ở tốc độ cắt thấp, chiều dày cắt lớn và góc cắt tƣơng đối lớn • Phoi dây: Khi gia công vật liệu dẻo ở tốc độ cao, chiều dày cắt bé • Quan sát phoi có thể biết đƣợc vật liệu gia công, chế độ cắt 94 2.4.2- Các dạng phoi cắt 95 2.4.3- Quá trình hình thành bề mặt gia công và hiện tƣợng cứng nguội 96 2.4.3- Quá trình hình thành bề mặt gia công và hiện tƣợng cứng nguội 97 2.4.3- Quá trình hình thành bề mặt gia công và hiện tƣợng cứng nguội Phƣơng trƣợt của hạt kim loại tạo với áp lực pháp tuyến lên phần tử kim loại đó một góc . Phần tử kim loại tại O1 có phƣơng trƣợt hƣớng về phía phoi, do đó có khả năng trƣợt để thành phoi Phần tử kim loại tại O2 có phƣơng trƣợt song song với phƣơng vận tốc cắt. Phần tử kim loại tại O3 có phƣơng trƣợt hƣớng về phía phôi, do đó khả năng trƣợt bị chặn lại, không thể thành phoi cắt Kết luận: • Khi cắt một lớp kim loại có chiều dày a với dao có bán kính cong ρ, các phần tử kim loại nằm trên mặt O2C sẽ bị trƣợt và tạo thành phoi cắt, những phần tử nằm dƣới có chiều dày H sẽ bị đầu dao nén ép để tạo thành bề mặt gia công. • Sự biến dạng của lớp kim loại H xảy ra cả biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi. Do biến dạng đàn hồi nên sau khi ra khỏi mặt sau dao, một phần của lớp kim loại đƣợc phục hồi một lƣợng h < H. 98 2.4.3- Quá trình hình thành bề mặt gia công và hiện tƣợng cứng nguội • Sau khi gia công, một lớp mỏng trên bề mặt chi tiết thay đổi tính chất ban đầu của nó, trở nên bền và cứng hơn  hiện tượng cứng nguội. • Trên bề mặt gia công còn tồn tại ứng suất dƣ và các vết nứt tế vi do biến dạng, ma sát và nhiệt. 99 Hiện tƣợng cứng nguội Nhân tố ảnh hưởng đến cứng nguội có cùng quy luật với nhân tố ảnh hƣởng đến co rút phoi. Vật liệu gia công có độ dẻo càng cao thì hiện tƣợng cứng nguội xảy ra với mức độ càng cao. Góc trƣớc của dao càng nhỏ thì mức độ cứng nguội càng tăng Cắt gọt có dung dịch trơn nguội thì mức độ cứng nguội giảm. 100 Hiện tƣợng cứng nguội Tác dụng của lớp cứng nguội: • Tác dụng tốt: Bảo vệ bề mặt, tăng bền mỏi • Tác dụng xấu: – Giảm bền mỏi nếu trên bề mặt có kèm vết nứt – Gây khó khăn khi gia công tinh – Khi gia công thô, cứng nguội dễ gây cong vênh cho những chi tiết yếu cứng vững 101 Hiện tƣợng cứng nguội Phoi Dao Chi tieát A C o I II V III IV 102 Năm vùng biến dạng khi cắt Vùng I: Bắt đầu phát sinh biến dạng (biến dạng đàn hồi) Vùng II: Vùng biến dạng mãnh liệt nhất (biến dạng dẻo) Vùng III: Vùng ma sát (mặt trước) Vùng IV: Vùng biến dạng và ma sát (mặt sau) Vùng V: Các phần tử kim loại hoàn toàn biến dạng và trở thành phoi cắt. • Khi cắt kim loại, trên mặt trƣớc của dao kề ngay lƣỡi cắt, thƣờng xuất hiện lớp kim loại có cấu trúc khác hẳn với vật liệu gia công và vật liệu làm dao. Lớp kim loại này bám chắc vào lƣỡi cắt của dao và đƣợc gọi là lẹo dao hay phoi bám. 103 2.4.4- Hiện tƣợng lẹo dao (phoi bám) • Đặc điểm: • Độ cứng tăng 2,5 - 3,5 lần độ cứng của vật liệu gia công  có thể thay thế mũi dao để cắt. • Xuất hiện theo chu kỳ (có rồi mất) • Khối lẹo dao làm góc trƣớc tăng . 104 2.4.4- Hiện tƣợng lẹo dao (phoi bám) ld • Điều kiện hình thành: • 𝐹𝑚𝑠 ≥ 𝑄 +𝑊 • W: lực liên kết trong nội bộ các phần tử kim loại • Fms: Lực ma sát giữa phoi và mặt trƣớc dao • Q: lực đẩy để thoát phoi trên mặt trƣớc . 105 2.4.4- Hiện tƣợng lẹo dao (phoi bám) QW Fms 106 Quan hệ giữa vận tốc và lớp lẹo dao m m 107 Nhân tố ảnh hƣởng đến lẹo dao • Vận tốc cắt: I II III IV H (mm) V (m/ph) 108 Nhân tố ảnh hƣởng đến lẹo dao • Chiều dày cắt a: Chiều dày cắt a càng lớn, tốc độ hình thành lẹo dao càng thấp, chiều cao lẹo dao càng cao. • Vật liệu gia công: Vật liệu gia công dẻo dễ lẹo dao hơn vật liệu dòn • Góc trƣớc γ: Góc trƣớc càng lớn thì tốc độ hình thành lẹo dao càng cao, chiều cao lẹo dao càng thấp. 109 • Tác dụng tốt: • Độ cứng của các khối lẹo dao cao hơn nhiều so với bản thân vật liệu chi tiết (gấp 2,5  3,5 lần) nên có thể thay thế lƣỡi cắt. • Khi gia công thô, lẹo dao có lợi vì nó tăng góc trƣớc của dao khiến cho quá trình tạo phoi dễ dàng và bảo vệ lƣỡi cắt khỏi bị mòn. • Tác dụng xấu: Khi gia công tinh, lẹo dao có hại vì nó làm giảm độ chính xác và độ trơn nhẵn của bề mặt gia công. 110 Tác dụng của lẹo dao • Gia công với tốc độ cắt hợp lý, nên tránh vùng tốc độ cắt thƣờng gây ra lẹo dao V=7  80 m/phút. • Mài bóng mặt trƣớc của dao. • Dùng dung dịch tƣới nguội. 111 Khắc phục hiện tƣợng lẹo dao 2.4.5- Hiện tƣợng co rút phoi Co rút phoi nói lên mức độ biến dạng của kim loại khi cắt: Hệ số co rút phoi K K = Ltt/Lph = aph/a Ltt, Lph - chiều dài lớp cắt và chiều dài phoi aph , a – chiều dày phoi và chiều dày lớp cắt K = 1,1 đến 10 112 • Ảnh hƣởng của vật liệu gia công và vật liệu làm dao • Ảnh hƣởng của chế độ cắt • Ảnh hƣởng của thông số hình học của dao 113 Nhân tố ảnh hƣởng đến hệ số co rút phoi • Vật liệu gia công càng dẻo thì biến dạng càng lớn  K tăng • Vật liệu làm dao có hệ số ma sát với vật liệu gia công lớn thì biến dạng nhiều  K tăng 114 Ảnh hƣởng của vật liệu gia công và vật liệu dao • S tăng  chiều dày cắt a tăng  biến dạng giảm  K giảm (phoi dày khó biến dạng). • t ảnh hƣởng không đáng kể đến K • Tốc độ cắt V ảnh hƣởng tới K theo đồ thị sau: 115 Ảnh hƣởng của chế độ cắt • Từ V1 đến V2 ma sát tăng nên biến dạng tăng, nhƣng do xuất hiện lẹo dao  góc trƣớc tăng  phoi dễ thoát  biến dạng giảm  K giảm • Từ V2 đến V3 ma sát tiếp tục tăng  biến dạng tăng  K tăng, nhƣng lẹo dao giảm K tăng. • Khi V vƣợt quá V3: lẹo dao không xuất hiện, ma sát giảm nên biến dạng giảm  K giảm. 116 Giải thích đồ thị K - V •  càng lớn  thoát phoi dễ  biến dạng giảm  K giảm •  tăng: – Dao có lƣỡi cắt thẳng: chiều dày a tăng, phoi khó biến dạng nên K giảm. – Dao có lƣỡi cắt cong: • < 0: giống dao thẳng • > 0: K tăng • Bán kính mũi dao tăng, chiều dài phần cong lƣỡi cắt tham gia cắt tăng nên K tăng • Có dung dịch trơn nguội, ma sát giảm, K giảm 117 Ảnh hƣởng của thông số hình học dao  Muốn cắt kim loại cần phải tác dụng vào phôi một lực để thắng đƣợc lực liên kết trong nội bộ kim loại  lực cắt.  Biết lực cắt để tính công suất truyền động và độ cứng vững của máy, tính độ bền của dao cắt, tính lực kẹp chi tiết khi gá đặt v.v...  Lực cắt lớn hay nhỏ ảnh hƣởng đến tuổi bền của dao và chất lƣợng bề mặt gia công. 118 2.4.6 - Hiện tƣợng lực cắt 119 Các lực tác dụng lên dao Phoi N1 Q1 N2 Q2 Fms2 Fms1 P Q1 Q2 120 Phân tích lực tác dụng lên dao tiện  Pz: lực tiếp tuyến, trùng với phƣơng vận tốc V, có giá trị lớn nhất. Py: lực hƣớng kính, có phƣơng trùng với phƣơng chiều sâu cắt t. Lực này gây chuyển vị trong mặt phẳng ngang.  Px: lực chạy dao, có phƣơng trùng với phƣơng chạy dao s. Lực này tác dụng lên cơ cấu chạy dao 121 Các thành phần lực cắt  Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt t  Ảnh hƣởng lƣợng chạy dao s  Ảnh hƣởng tốc độ cắt v  Ảnh hƣởng của vật liệu gia công  Ảnh hƣởng của thông số hình học dao  Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội 122 Các yếu tố ảnh hƣởng đến lực cắt Phƣơng pháp xác định lực cắt • Dùng phƣơng pháp thực nghiệm để thiết lập công thức tính lực cắt sau: z zpzpzp z p nyx pz KVStCP .... 123 y ypypyp y p nyx py KVStCP .... x xpxpxp x p nyx px KVStCP .... Công suất cắt Công suất có ích khi cắt: )( 102.60 . KW vP N zc  124 )( 102.10.60 .. 3 KW snP N xcd   Công suất có ích khi chạy dao:  Công suất toàn phần: N = Nc + Ncd Nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt và sự phân bố nhiệt độ làm:  Thay đổi tính chất cơ lý của vật liệu gia công  Ảnh hƣởng đến tuổi thọ của dao  Làm giảm năng suất và độ chính xác gia công. 125 2.4.7- Hiện tƣợng nhiệt Trong quá trình cắt công tiêu hao đƣợc chuyển hóa thành nhiệt:  Công ma sát trong giữa các phần tử vật liệu gia công trong quá trình biến dạng Q1  Công ma sát ngoài giữa phoi và mặt trƣớc dao Q2  Công ma sát giữa bề mặt chi tiết gia công và mặt sau dao Q3  Công cắt đứt phoi Q4 126 Nguồn nhiệt. Sự truyền nhiệt • Nhiệt sinh ra trong quá trình cắt đƣợc truyền qua dao, chi tiết, phoi và không khí • Ví dụ: qua thí nghiệm, lƣợng nhiệt phân bố khi gia công thép 40Cr phân bố nhƣ sau: V (m/phút) Phoi Chi tiết Dao Không khí 25  50 45% 50% 2,5% 1  2,5% 100350 75% 22% 1,5% 1  1,5% 127  Ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt  Ảnh hƣởng đến khả năng cắt của dao  Ảnh hƣởng đến độ chính xác gia công 128 Ảnh hƣởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt gọt kim loại Trong quá trình cắt kim loại, hệ thống công nghệ thƣờng xảy ra rung động do thiếu cứng vững.  Rung động làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng chi tiết gia công, đến năng suất cũng nhƣ sức khỏe ngƣời thợ.  Có thể phân chia ra hai loại rung động: rung động cƣỡng bức và tự rung. 129 2.4.8 - Hiện tƣợng rung động Nguyên nhân:  Sự không cân bằng của các bộ phận máy - dao - chi tiết - đồ gá.  Hệ thống truyền động của máy có sự va đập tuần hoàn.  Vật cắt không tròn, lƣợng dƣ gia công không đều.  Dao chuyển động không cân bằng.  Móng máy không vững.  Ảnh hƣởng của rung động bên ngoài. 130 Rung động cƣỡng bức Nguyên nhân:  Sự thay đổi của lực ma sát ở mặt trƣớc và sau của dao trong quá trình cắt.  Thay đổi tính dẻo của vật liệu gia công trong quá trình cắt khiến cho lực cắt thay đổi.  Phát sinh và mất đi của lẹo dao.  Biến dạng đàn hồi của dao – chi tiết 131 Tự rung động Tăng tốc độ cắt thì biên độ dao động tăng khi đạt cực đại thì ngƣợc lại.  Chiều sâu cắt tăng, biên độ dao động tăng.  góc , góc 1 tăng, rung động giảm.  Khi gia công gang, cắt ra phoi vụn, lực cắt biến đổi nhiều nên rung động tăng.  Khi cắt vật liệu dẻo, điều kiện hình thành lẹo dao lớn thì rung động càng tăng. 132 Các nhân tố ảnh hƣởng đến rung động Nguyên nhân gây ra mài mòn dao: • Mài mòn cào xƣớc (ma sát) • Mài mòn vì nhiệt • Mài mòn oxy hóa • Mài mòn vì dính (do khối lẹo dao) • Mài mòn vì khuếch tán 133 2.4.9 - Hiện tƣợng mài mòn dao và tuổi bền dao 134 Các hình thức mài mòn dao 135 Các giai đoạn của quá trình mòn dao