Tối ưu hóa cắt gọt

NGUYỄN VĂN HIỆN

LỚP CƠ KHÍ 1 –K3

Hiệu quả của quá trình cắt gọt được đánh giá qua 3 chỉ tiêu : chất lượng, năng suất và giá thành gia công.
Khả năng đạt được chỉ tiêu này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện cắt gọt: vật liệu chi tiết, vật liệu dao, hệ thống công nghệ, chế độ cắt, trình độ công nhân, trình độ sản xuất, vấn đề bôi trươn…
CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN ĐIỀU KIỆN CẮT GỌT
XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT
1. Khái niệm chế độ cắt kinh tế
Chế độ cắt kinh tế là giá tri các thong số cắt (s,v ,t) để hoàn cắt gọt đã cho với giá thành thấp nhất.
2. Xác định chế độ cắt khi gia công thô
-Mục tiêu : tách hết lớp lượng dư gia công cơ.Vì vậy để giá thành gia công thấp nhất nếu chúng ta cắt hết lượng dư đó trong thời gian ngắn nhất.
-Ta gọi V là thể tích phoi được thoát ra trong một đơn vị thời gian (cm3/ph).
V = q.v.K = s.t.v.K (cm3/ph)
Trong đó: - q là diện tích tiết diện lớp cắt (mm2) -v là tốc độ cắt (m/ph)
- s là lượng chạy dao (mm/vòng; mm/htk) -t là chiều sâu cắt (mm)
-K là hệ số chuyển đổi đơn vị, ở đây K=1

Về nguyên tắc, rõ ràng để V đạt giá trị Vmax thì ta phải hoàn thành nhiệm vụ cắt gọt đã cho với : s = smax, t = tmax, v = vmax.
Tức là: Vmax = smax.tmax.vmax
Như phần tuổi bền dao đã nêu rõ: khi tăng tốc độ cắt v thì tuổi bền dao T sẽ giảm rất nhanh. Vì vậy giá thành của chi tiết gia công sẽ tăng do phải thay và mài lại dao nhiều lần. Từ đó rõ rằng việc ưu tiên tăng tốc độ cắt v để đạt hiệu quả kinh tế là không hợp lý.
Vấn đề còn lại là trong hai yếu tố của diện tích tiết diện lớp cắt q nên(s và t), ưu tiên tăng yếu tố nào trước là hợp lý.
Ta có công thức quen thuộc:




Thay v vào V ta nhận được


(m/ph) ho?c

(m/p)

Theo thực nghiệm xv > yv, do đó (1-yv) > (1-xv)
Từ những phân tích trên ta có nhận xét:
Nếu xuất phát từ mục đích tăng thể tích phoi cắt đơn vị (V) mà vẫn đảm bảo được tuổi bền dao (T), trong điều kiện đã cho diện tích tiết diện lớp cắt (q = s.t = constant) thì tăng chiều sâu cắt t có lợi hơn tăng lượng chạy dao s. Bởi vì:
(1) Nếu tăng t hoặc tăng s cùng số lần, thì tăng t dẫn đến V tăng nhanh hơn so với tăng s, vì (1-yv) > (1-xv)
(2) Tương tự như vậy khi tăng t dẫn đến vận tốc v tăng ít hơn khi tăng s. Vì vậy yv < xv.htmaxabhtmaxHình 8.1 - Chọn t
Với nhận xét quan trọng trên, ta có thể rút ra kết luận về trình tự xét để tận lượng tăng giá trị các yếu tốc chế độ cắt như sau:
t  s  v
(cm3/ph)
Vấn đề tận lượng tăng chiều sâu cắt t
Rõ ràng: chiều sâu cắt t lớn nhất có thể tăng được la lượng dư gia công cơ h: tmax = h
Chọn chiều sâu cắt t bằng lượng dư gia công cơ h là một nguyên tắc quan trọng trong gia công thô.
Tuy nhiên ta cũng cần chú ý hai trường hợp cụ thể sau đây:
(1) Khi kết cấu của dao không cho phép (hình 8.1) thì không thể chọn t = h.
(2) Khi h quá lớn mà hệ thống công nghệ không đủ cứng vững để gia công thì ta cũng phải phân ra cắt từ 2 đến 3 lần chuyển dao với t1, t2, t3 (t1 + t2 + t3 = h). Sẽ giới thiệu cụ thể trong công nghệ chế tạo máy.
2. Vấn đề tận lượng tăng lượng chạy dao s
Với chiều sâu cắt t đã được lựa chọn, việc tăng lượng chạy dao s sẽ bị hạn chế bởi lực cắt, vì nếu lực cắt quá lớn sẽ làm cho hệ thống công nghệ biến dạng quá lớn dẫn đến sai số gia công vượt quá giới hạn cho phép.
Thường trong lý lịch các máy (hoặc trong sổ tay cắt gọt) người ta có quy định giá trị cho phép của lực tác dụng lên máy, lên dao và lên chi tiết.
Vậy việc lựa chọn lượng chạy dao s phải chú ý thoả mãn: lực cắt thực tế sinh ra với chế độ cắt lựa chọn phải nhỏ hơn (hoặc tối đa là bằng) lực cắt cho phép P = [P]
Trong phần phân tích lực cắt đã chỉ rõ:
Thành phần lực cắt chính Pv tác dụng lên dao, nếu lực cắt chính vượt quá giới hạn bền của dao sẽ làm phá huỷ dao. Muốn đảm bảo dao làm việc được thì:

Thành phần lực cắt theo phương chạy dao Ps tác dụng lên máy.
Nếu Ps quá lớn sẽ làm phá huỷ các cơ cấu yếu của máy đó là cơ cấu chạy dao. Như vậy, để máy làm việc an toàn thì:

Thành phần lực cắt theo phương chiều sâu cắt Pt tác dụng lên chi tiết gia công làm cho chi tiết bị biến dạng một lượng f. Để đảm bảo kích thước gia công thì biến dạng do lực cắt gây nên phải nhỏ hơn biến dạng cho phép [f] - tức là:
f  [f]
[f] được cho dựa trên cơ sở giới hạn sai lệch cho phép - trong gia công thô tương đương với IT13.
Từ quan hệ f  [f] ta tính được lực giới hạn [Pt]. Tức là Pt  [Pt].
Ta có:
Suy ra lượng chạy dao s3.
Sau khi đã có s1, s2, s3 ta so sánh và chọn giá trị smin trong ba giá trị s đã tính làm lượng chạy dao tính toán hợp lý, tức là:
st = stính = smin = min (s1, s2, s3 )
Dựa trên stính tra trong lý lịch máy ta chọn giá trị lượng chạy dao kinh tế (schọn = sc)
Cần lưu ý rằng: từ st, tìm sc = sm (lượng chạy dao thực tế có trên máy) sẽ có thể xuất hiện 3 khả năng: st = sm; st < sm ; st > sm.
Nếu st = sm thì sc = sm
Nếu st < sm thì ta chú ý đảm bảo S.n  constant tức là nếu sc < sm thì tăng một cấp n và ngược lại sc > sm thì giảm n một cấp (n là số vòng quay của trục chính máy được chọn sau khi tính vận tốc v)
Cũng cần đặc biệt chú ý: nếu s1, s2, s3 khác nhau qua lớn, nếu chọn smin sẽ không sử dụng hết khả năng của hệ thống công nghệ. Chính vì vậy, trước khi chọn smin ta cần tìm mọi cách để làm cho s1, s2, s3 có giá trị gần nhau, bằng cách chọn hợp lý hệ thống công nghệ, cải thiện điều kiện cắt như tưới dung dịch trơn nguội...
Tiếp tục để đảm bảo máy đã chọn có thể đảm bảo thực hiện gia công, ta cần kiểm nghiệm công suất động cơ. Công thức kiểm nghiệm là:









Nc Nđc .  (KW)

(KW) trong đó: Pv (KG); v(m/ph
Trong đo:  là hiệu suất của máy ( = 0,6 - 0,8)
Tóm lại, xác định chế độ cắt kinh tế khi gia công thô được tiến hành theo trình tự sau

Sơ đồ tính chế độ cắt

(1) Lựa chọn phương pháp gia công dựa vào hình dạng, kích thước chi tiết gia công đã cho trên bản vẽ.
(2) Lựa chọn dao (hình dáng và vật liệu) trên cơ sở biết chi tiết và phương pháp gia công.
(3) Chọn chiều sâu cắt t trên cơ sở lượng dư gia công h và hình dáng dao.
(4) Tra các thành phần lực cho phép [Ps], [Pt], [Pv] trong lý lịch máy.
(5) Tính toán lượng chạy dao hợp lý và xác định lượng chạy dao chọn
(6) Tính tốc độ cắt kinh tế với t, s đã biết và điều kiện cắt khác đã chọn.
(7) Kiểm nghiệm công suất động cơ.
Để dễ thấy trình tự, cơ sở và quan hệ của các bước tiến hành ta xây dựng sơ đồ hình 8.2
8.1.3. Xác định chế độ cắt khi gia công tinh
Đối với gia công tinh ngoài yêu cầu tách lớp lượng dư gia công cơ trong thời gian ngắn, yêu cầu đảm bảo độ bóng bề mặt ghi trên bản vẽ là yêu cầu quan trọng.
Khi xác định độ lớn nhấp nhô, trước hết cần chú ý vật liệu gia công, hình dáng hình học của dao, và lượng chạy dao, đồng thời cần thấy rõ: nếu tốc độ cắt càng cao thì độ bóng đạt được càng cao.

Do đặc điểm gia công tinh như trên, nên việc xác định chế độ cắt kinh tế khi gia công tinh cần thay đổi một ít so với gia công thô. Cụ thể trình tự tính toán như sau:

(1) Chọn phương pháp gia công trên cơ sở bản vẽ chế tạo chi tiết đã cho (đặc biệt chú trọng yêu cầu độ bóng bề mặt).
(2) Lựa chọn vật liệu hình dáng hình học dao trên cơ sở đã biết chi tiết gia công (vật liệu), phương pháp gia công, độ bóng bề mặt chi tiết. Chú ý khi gia công tinh cần chọn vật liệu dao cho phép cắt ở tốc độ cao.
(3) Chọn chiều sâu cắt xuất phát từ lượng dư gia công và kết cấu của dao.
(4) Tra bảng trong sổ tay cắt gọt để chọn lượng chạy dao theo độ bóng bề mặt, vật liệu gia công, hình dáng hình học của dao với sự lưu ý đến các gá trị tốc độ cắt thường dùng đối với vật liệu dao đã chọn.
(5) Tính độ cắt theo tuổi bền dao. Nếu tốc độ cắt tính ra không đảm bảo yêu cầu độ bống thì cần giảm lượng chạy dao và tính lại đến khi nào thoả mãn yêu cầu thì thôi.
(6) Kiểm nghiệm công suất động cơ trên cơ sở tính lực cắt chính Pv và tốc độ cắt đã tính ở bước 5
Những nguyên tắc xác định chế độ cắt kinh tế khi gia công thô và gia công tinh đã nêu ở trên là phổ biến cho tất cả các phương pháp gia công.
Việc tính toán xác định chế độ cắt kinh tế là một bước quan trọng khi lập quy trình công nghệ gia công chi tiết. Cụ thể là:
Trong sản xuất hàng loạt, sau khi xác định chế độ cắt kinh tế, ta lựa chọn trong phân xưởng những máy có khả năng hoàn thành việc gia công với chế độ cắt đã cắt một cách kinh tế nhất.
Trong sản xuất hàng khối, trên cơ sở cắt kinh tế đã được xác định (số liệu hướng dẫn theo thống kê cho trong các bảng của sổ tay cắt gọt) ta tiến hành lựa chọn hoặc thiết kế máy theo yêu cầu.
BÔI TRƠN VÀ LÀM NGUỘI KHI CẮT
Một trong những biện pháp quan trọng nhằm cải thiện điều kiện cắt là tưới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt trong quá trình gia công. Tưới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt có ba tác dụng.
(1) Tác dụng bôi trơn để tăng độ bóng bề mặt đã gia công.
(2)Tác dụng làm nguội vùng cắt để tăng tuổi bền dao và giảm tác dụng xấu của nhiệt cắt đến hệ thống công nghệ.
(3) Đẩy phoi ra khỏi vùng cắt (nhất là khi gia công phoi vụn, khoan lỗ sâu)
Tác dụng bôi trơn và làm nguội là những mục tiêu cơ bản của việc tưới dung dịch trơn nguội.
2.1. Cơ sở của vấn đề bôi trơn làm nguội khi cắt
1. Cơ sở làm nguội bằng cách tưới dung dịch.
Dung dịch được tưới vào vùng cắt lan truyền trên các bề mặt đã được đốt nóng do nhiệt cắt. Một phần dung dịch đã nhận bớt nhiệt lượng ở vùng cắt, phần khác bị bốc hơi cũng mang
một nhiệt lượng nhất định đi khỏi vùng cắt. Như vậy lượng dung dịch đưa vào đã chia xẻ bớt nhiệt lượng sinh ra trong vùng cắt nhờ vậy làm giảm nhiệt độ của vùng cắt. Điều này có lợi cho tuổi bền của dao, đồng thời cũng làm giảm bớt tác dụng nhiệt đến hệ thống công nghệ.
Từ phân tích trên, rõ ràng tác dụng làm nguội chỉ là tác dụng đơn thuần về mặt vật lý. Thật vậy khi hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, nhiệt hoá hơi của dung dịch càng lớn thì tác dụng làm nguội càng tăng.
Ở đây cần lưu ý tới khả năng gây ẩm ướt của dung dịch. Hình 8.3 cho ta phân biệt một giọt dung dịch trên bề mặt và gây ẩm trên bề mặt. Hình 2.3.a biểu thị một giọt chất lỏng trên bề mặt hình 2.3.b biểu thị gây ẩm trên bề mặt.
Khả năng gây ẩm phụ thuộc vào sức căng bề mặt của dung dịch. Những dung dịch có sức căng bề mặt lớn thì trong thời gian ngắn không dễ dàng đi vào các lỗ hổng nhỏ. Điều đó cho ta giải thích được khi tưới bằng nước có pha dung dịch gây ẩm có tác dụng làm nguội tốt hơn khi tưới là nước thường.
Mặt khác ta thấy rằng bốc nhiệt bằng cách bốc hơi sẽ tăng lên nếu dung dịch được đưa vào vùng cắt với áp lực lớn, điều đó được giải thích bằng tác dụng liên tục hơn của màn sương dung dịch phun vào.

Thực nghiệm cho thấy, nếu sử dụng hợp lý loại dụng dịch và phun với áp lực phù hợp nhiệt độ cắt có thể được giảm 100 - 1500C.

2. Cơ sở việc bôi trơn bằng cách tưới dung dịch:
Tác dụng bôi trơn khi tưới dung dịch thể hiện ở việc làm giảm ma sát giữa mặt trước dao và phoi, giữa bề mặt sau dao và chi tiết. Trong đó việc giảm ma sát giữa mặt trước dao và phoi có tác dụng lớn đến việc nâng cao tuổi bền dao.
Như ra đã biết: các chất hoạt tính bề mặt quyết định tác dụng bôi trơn của dung dịch.
Ta biết rằng: khi tưới một chất lỏng lên bề mặt rắn, thì trên bề mặt vật rắn sẽ được phủ bởi một màng mỏng chất lỏng. Nếu cho vật rắn tiếp xúc và chuyển động tương đối với vật rắn khác, thì màng mỏng chất lỏng chính là màng đệm có tác dụng làm giảm ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc.
Khi cắt giữa các bề mặt tiếp xúc trong vùng cắt có áp suất lớn và nhiệt độ cao. Do vậy dung dịch dùng để tưới vào muốn tạo được màng đệm cần phải được các chất hoạt tính bề mặt như mỡ, dầu thực vật, axit béo no...
Các khu vực khi tiếp xúc cắt gọt có thể biểu diễn bằng mô hình ở hình 8.4. Khi cắt tại các vùng tiếp xúc bao giờ cũng xuất hiện các lỗ hỗng nhỏ. Nguyên nhân hình thành các lỗ
hổng do sự xuất hiện và mất đi một cách đột ngột của các khối lẹo dao, cũng có thể do sự rạn nứt đột ngột của các bề mặt tiếp xúc. Vì nguyên nhân xuất hiện như vậy, nên khi mới hình thành các lỗ hổng này là những lỗ chân không . Khi tưới dung dịch trơn nguội được hút vào
các lỗ hổng chân không đó bằng những đường mao dẫn (vết nứt tế vi). Đó chính là các nguyên nhân đưa dung dịch vào các vùng tiếp xúc và hình thành các màng đệm
Kết quả thí nghiệm cho thấy: nếu sử dụng hợp lý dung dịch bôi trơn, lực cắt sẽ giảm đượ chúng tôi 0 - 30%, mài mòn dao sẽ giảm và nhờ đó cho phép tăng tốc độ cắt 10 - 40%, độ bóng bề mặt gia công tăng được 1 - 2 cấp.
2.2. Các loại bôi trơn làm nguội
1. Các yêu cầu của chất bôi trơn - làm nguội.
Để đạt được mục đích bôi trơn và làm nguội khi cắt, các chất bôi trơn - làm nguội phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
(1) Giảm được ma sát
(2) Giảm được nhiệt độ.
(3) Có khả năng giảm mài mòn
(4) Làm tăng độ bóng bề mặt chi tiết
(5) Tạo điều kiện đẩy phoi ra dễ dàng
(6) Không gây tác hại đến sản phẩm gia công (như ăn mòn)
(7) Không làm tổn hại đến hệ thống công nghệ
(8) Không gây hại cho sức khoẻ con người
2. Các chất bôi trơn làm nguội - khi cắt
Tuỳ thuộc vào vật liệu gia công, đặc điểm phương pháp gia công thiết bị gia công, có thể sử dụng các loại chất bôi trơn - làm nguội sau:
(1) Thể khí như CO2. (2) Thể lỏng như nước, nước xà phòng...
(3) Thể rắn (như than chì, disulfatmôluypden)
Trong cắt gọt kim loại thường dùng loại thể lỏng - được gọi là dụng dịch trơn - nguội.
Dung dịch trơn nguội được phân làm ba nhóm chính:
(1) Nhóm 1 là nhóm có tác dụng làm nguội là chủ yếu (các dung dịch nước điện ly).
(2) Nhóm 2 là nhóm dung dịch làm nguội; một phần có tác dụng bôi trơn như dung dịch nước xà phòng, dung dịch emulxi.
(3) Nhóm 3 là nhóm có tác dụng bôi trơn, một phần có tác dụng làm nguội như các chất dầu, mỡ...
3. Một số kinh nghiệm khi sử dụng dung dịch trơn - nguội
Về nguyên tác chung, muốn chọn sử dụng hợp lý dung dịch trơn - nguội ta căn cứ vào ba yếu tố:
(1) Vật liệu chi tiết gia công
(2) Phương pháp gia công và tính chất gia công
(3) Loại thiết bị gia công
Một cách cụ thể theo kinh nghiệm ta có:
Chọn theo vật liệu gia công
Khi gia công vật liệu dòn (gang, đồng thanh) thường không nên dùng dung dịch trơn - nguội chủ yếu ở đây là bảo vệ hệ thống công nghệ, bởi vì khi cắt vật liệu dòn sẽ tạo ra phoi vụn, dung dịch trơn nguội dễ cuốn vào các khe hở lắp ghép của mát, đồ gá, làm tổn hại thiết bị. Cùng gia công vật liệu dòn, nhưng nếu hệ thống che chắn và bảo vệ tốt, dẫn dung dịch trơn nguội vào vùng cắt bằng những phương pháp tiên tiến như dẫn bên trong (khi khoan lỗ sâu), tưới, thổi (thể khí) với áp lực lớn thì khi sử dụng chất trơn - nguội cho phép tăng tốc độ cắt lên 15-30% so với không bôi trơn làm nguội.
Khi chọn loại dung dịch trơn - nguội cần đặc biệt chú ý tránh gây phản ứng hoá học giữa dung dịch trơn - nguội và vật liệu gia công.
Chọn vật liệu theo phương pháp gia công: cần lưu ý:
(1) Khi gia công thô: nhiệt cắt, lực cắt và công suất cắt lớn - Vì vậy làm nguội là yêu cầu chủ yếu, bên cạnh đó cũng cần giảm bớt lực cắt bằng cách giảm ma sát. Vì vậy nên chọn nhóm 2.
(2) Khi gia công mục đích chính là làm tăng độ bóng bề mặt và đảm bảo tuổi bền dao. Thích hợp gia công tinh nên chọn nhóm 3.
(3) Khi cắt ở tốc độ cao bằng dao hợp kim cứng thường không nên tưới dung dịch trơn nguội để tránh gây nứt vỡ hợp kim cứng đồng thời tránh gây bắn dung dịch tung toé ra xung quanh. Cũng cần lưu ý rằng: nhiều trường hợp vẫn phải cần tưới dung dịch trơn nguội, lúc đó cần chú ý tưới liên tục và lượng tưới lớn.
Chọn thiết bị gia công cần lưu ý tránh việc thâm nhập của dung dịch vào thiết bị.
Để tiện việc lựa chọn sử dụng xin giới thiệu 2 bảng sau:
Bảng 2.1. Các dung dịch trơn nguội thường dùng.
Bảng 8.2. Kinh nghiệm sử dụng dung dịch trơn - nguội
NHỮNG YẾU TỐ CƠ BẢN CỦA DỤNG CỤ CẮT
Dụng cụ cắt hay còn gọi là dao là bộ phận của hệ thống công nghệ có nhiệm vụ trực tiếp tách phoi để hình thành bề mặt gia công. Kinh nghiệm cho thấy: dao có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cắt gọt. Nó không những tác động trực tiếp tới chất lượng chi tiết mà còn chi phối không nhỏ tới vấn đề năng suất và giá thành chế tạo sản phẩm.
Dựa vào vật liệu chế tạo dao thì có dao thép cacbon dụng cụ, dao thép hợp kim dụng cụ, dao thép gió, dao hợp kim cứng, dao kim cương...
Dựa vào yêu cầu tính chất gia công dao được phân ra: dao gia công thô, dao gia công tinh, dao gia công bóng.
Dựa vào số lưỡi cắt trên dao ta lại có các loại: loại một lưỡi cắt (như dao tiện, dao bào), dao hai lưỡi cắt (như mũi khoan), dao nhiều lưỡi cắt tiêu chuẩn (như dao phay, dao chuốt), dao phi tiêu chuẩn nhiều lưỡi cắt (như đá mài).
Dựa vào kết cấu và đặc điểm làm việc ta có loại dao thường và loại dao định hình.
Phổ biến hơn cả là căn cứ vào phương pháp gia công ta chia ra dao tiện, dao phay, mũi khoan, dao khoét, dao doa, đá mài, dao chuốt...
Trong tất cả các loại dao, do đặc điểm cấu tạo, dao tiện được coi là dao điển hình nhất. Tất cả những loại dao khác chẳng qua là sự phân tích hoặc tổng hợp của dao tiện. Vì vậy khi nghiên cứu về dao thì những nét chung nhất đều được minh hoạ bằng ví dụ dao tiện.
Tiếp theo ta lần lượt nghiên cứu một số vấn đề cơ bản về dụng cụ cắt kim loại.
2.1. Kết cấu của dụng cụ cắt kim loại
Dao cắt kim loại được cấu tạo bởi ba phần: phần làm việc còn gọi là phần cắt, phần gá đặt dao và phần cán dao (hình 2.1).
Phần làm việc của dao (phần cắt) là phần của dao trực tiếp tiếp xúc với chi tiết gia công để làm nhiệm vụ tách phoi, đồng thời còn là phần dự trữ mài dao lại khi dao đã bị mòn.
Phần gá đặt dao là một bộ phận của dao dùng để gá đặt dao lên máy nhằm bảo đảm vị trí tương quan giữa dao và chi tiết.
Phần thân dao cũng là một phần trên dao nối liền giữa phần cắt và phần gá đặt dao.
Để hoàn thành tốt nhiệm vụ cắt gọt, về mặt kết cấu thì phần cắt của dao được tạo bởi các bề mặt và lưỡi cắt thích hợp, bao gồm:
(1) Mặt trước dao là mặt của dao để phoi trượt lên đó thoát ra khỏi vùng cắt trong quá trình gia công.
(2) Mặt sau chính là mặt của dao đối diện với bề mặt đang gia công trên chi tiết. Vị trí tương quan của mặt này với mặt đang gia công của chi tiết quyết định mức độ ma sát giữa mặt sau chính dao và mặt đang gia công trên chi tiết.
(3) Mặt sau phụ là mặt trên phần cắt dao đối diện với bề mặt đã gia công trên chi tiết. ý nghĩa của nó tương tự như mặt sau chính.
(4) Lưỡi cắt chính là giao tuyến giữa mặt trước và mặt sau chính. Trong quá trình cắt phần lớn lưỡi cắt chính tham gia cắt gọt. Phần trực tiếp tham gia cắt gọt của lưỡi cắt chính gọi là chiều dài cắt thực tế của lưỡi cắt - đó chính là chiều rộng cắt b.
(5) Lưỡi cắt phụ là giao tuyến giữa mặt trước và mặt sau phụ. Khi cắt có một phần lưỡi cắt phụ cũng tham gia cắt.
(6) Mũi dao là giao điểm của lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ. Mũi dao là vị trí của dao dùng để điều chỉnh vị trí tương quan giữa dao và chi tiết.
(7) Lưỡi cắt chuyển tiếp: Trong một số trường hợp (như dao phay một đầu) người ta cần tạo nên lưỡi chuyển tiếp giữa lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ.
2.2. Thông số hình học của dụng cụ cắt
2.2.1. Khái niệm
.
.
.
Kết quả thí nghiệm và thực tế sản xuất cho thấy: vị trí tương đối giữa các bề mặt và lưỡi cắt trên phần làm việc của dao so với các bề mặt trên chi tiết gia công có ảnh hưởng lớn đến quá trình cắt gọt. Vị trí của các bề mặt và lưỡi cắt được xác định bởi những góc độ trên phần làm việc của dao. Những góc độ đó gọi là những thông số hình học của dao.
Nói đến góc độ trên phần làm việc của dao nghĩa là nói đến vị trí tương quan giữa các bề mặt và lưỡi cắt so với hệ toạ độ nào đó được chọn làm chuẩn. Hệ toạ độ này gọi là hệ toạ độ xác định.
Trong nghiên cứu dụng cụ cắt, hệ toạ độ xác định được thành lập trên cơ sở của ba chuyển động cắt (
,
,
) và bao gồm ba mặt phẳng cơ bản:
Mặt cơ bản 1: được tạo bởi vectơ tốc độ
và vectơ chạy dao
.
Mặt cơ bản 2: được tạo bởi vectơ tốc độ
và vectơ chiều sâu cắt
.
Mặt cơ bản 3:(còn gọi là mặt đáy) được tạo bởi vectơ
và vectơ
. (xem hình 2.2)
Ngoài ba mặt cơ bản trên người ta còn sử dụng các mặt phẳng và tiết diện phụ trợ.
Mặt phẳng phụ trợ gồm có mặt cắt. Mặt cắt đi qua một điểm nào đó trên lưỡi cắt là một mặt phẳng qua điểm đó tiếp tuyến với mặt đang gia công và chứa vectơ vận tốc cắt
. (Nếu là lưỡi cắt thẳng thì mặt cắt chứa lưỡi cắt).
Những tiết diện phụ trợ bao gồm: tiết diện chính là tiết diện của đầu dao được cắt bởi mặt phẳng đi qua điểm khảo sát trên lưỡi cắt chính và vuông góc với lưỡi cắt chính - ký hiệu N - N. Tiết diện phụ là tiết diện của đầu dao do mặt phẳng vuông góc với lưỡi cắt phụ tại điểm xét tạo nên - ký hiệu N1 - N1.
Các mặt cơ bản và các mặt tiết diện phụ trợ xem ở hình 2.2 và 2.3.
Ghi chú: Việc thành lập hệ toạ độ xác định dựa trên cơ sở về ý nghĩa vật lý của quá trình cắt, đồng thời phải khảo sát tới khả năng xác định độ lớn các thông số hình học dao bằng phương pháp đo trực tiếp.
Hình 2.2
Hình 2.3.
2.2.2. Thông số hình học dao khi thiết kế
Các thông số hình học của dao nhằm xác định vị trí của mặt trước, mặt sau chính, mặt sau phụ và lưỡi cắt chính, lưỡi cắt phụ của đầu dao. Những thông số hình học này được xác định ở tiết diện chính N - N, ở mặt đáy, ở tiết diện phụ N1-N1 và trên mặt cắt. Xét dao và chi tiết được gá đặt ở vị trí tương đối như sau: Mũi dao nằm trong mặt phẳng ngang chứa đường tâm máy, trục dao thẳng góc với đường tâm máy.
Các góc độ của dao tại một điểm bất kỳ trên lưỡi cắt, đo trên tiết diện chính N - N có mối quan hệ hình học sau: (2.1)
Trong đó  và  là những thông số độc lập; ,  là những thông số phụ thuộc.
Trong đó  và 1 là những thông số độc lập, còn  là thông số phụ thuộc. Các thông số hình học dao đo trên mặt đáy có mối quan hệ hình học sau:
(2.2)
Hình 2.4
Góc nâng của lưỡi cắt, ký hiệu  là góc tạo bởi lưỡi cắt chính của dao và mặt đáy, đo trên mặt cắt. Độ lớn của góc nâng lưỡi cắt biểu thị vị trí của lưỡi cắt chính trong hệ toạ độ xác định. Giá trị của góc nâng lưỡi cắt có thể lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng 0o (qui định như ở hình 2.5. Giá trị của góc nâng không những quyết định hướng thoát phoi khi cắt, mà còn quyết định điểm tiếp xúc đầu tiên của dao vào chi tiết khi cắt. Điều này có ý nghĩa lớn đối với độ bền của dao cũng như chất lượng gia công. (Ví dụ khi nghiên cứu về khả năng làm việc của dao phay mặt đầu)


Hình 2.5


Hình 2.5
Giá trị các thông số hình học dao phải được xác định vừa đảm bảo điều kiện cắt, vừa phải đảm bảo khả năng làm việc của dao (tuổi bền dao). Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được các giá trị hợp lý góc độ của dao tuỳ thuộc vào vật liệu gia công, vật liệu dao với các điều kiện cắt khác. Những giá trị thông số hình học dao đã được tiêu chuẩn hoá trong các sổ tay cắt gọt.
2.2.3. Sự thay đổi góc độ dao khi cắt (góc độ làm việc của dao)
1. Sự thay đổi các góc độ dao do gá đặt dao không chính xác (xem hình 2.6)
Khi gá đặt dao thường xảy ra các trường hợp sai lệch sau:
(1) gá mũi dao không ngang tâm chi tiết (hình 2.6.a,b)
(2) gá hướng dao không đảm bảo vị trí tương quan với chi tiết (hình 2.6.c, d)
Hình 2.6.a và và 2.6.b thể hiện khi gá dao thấp hoặc cao hơn tâm chi tiết một đoạn là h. Do việc gá dao không đúng vị trí như vậy nên vectơ vận tốc cắt thực tế
t bị sai lệch so với vận tốc cắt lý tưởng
lt một góc là . Do sai lệch hệ toạ độ xác định, dẫn đến sự thay đổi góc trước và góc sau của dao một lượng tương ứng là .
Gọi góc độ dao trong mặt cắt Y-Y theo trục dao khi cắt là yc và c, lúc đó:
Đối với trường hợp a, ta có: yc = y -  , yc = y + 
Đối với trường hợp b, ta có: yc = y +  , yc = y - 
Hình 2.6.c và 2.6.d. biểu thị vị trí tương quan giữa dao và bề mặt cần gia công bị sai lệch. Ví dụ trường hợp c. muốn tạo thành mặt trụ đáng lẽ phải gá đặt trục dao vuông góc với trục chi tiết gia công, nhưng khi gá trục dao bị lệch đi một góc là . Trường hợp d. muốn hình thành mặt côn thì trục dao phải được gá vuông góc với mặt côn cần gia công, nhưng do gá đặt không chính xác nên trục dao bị lệch một góc là . Trong cả hai trường hợp trên đều đã gây nên sai lệch góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ so với thiết kế một lượng là .
Cụ thể là: c =  +  và 1c = 1 - 
2. Sự thay đổi góc độ dao do phối hợp chuyển động cắt. Hình 2.7
Hình 2.7.a và b. biểu diễn chuyển động chạy dao (khi tiện trụ ngoài) và chuyển động chạy dao ngang (khi tiện cắt đứt) đã làm thay đổi góc độ của dao.
Thực vậy trong trường hợp 2.7.a do có chạy dao dọc với lượng chạy dao sd, bằng phương pháp vẽ hình học đơn giản ta thấy ngay được góc trước và góc sau dao (trên tiết diện chính N - N) bị thay đổi một lượng là . Cụ thể là:
c =  +  , c =  - 
Trường hợp có chạy dao ngang với lượng chạy dao sn, bằng cách khai triển hình học đơn giản ta có:
c =  + y, c =  - y
Trong đó:
Trường hợp a.:
Trường hợp b.:
Cần nhấn mạnh rằng: nói chung trong mọi trường hợp cắt thực tế đều gây ra sự thay đổi góc độ của dao. Nhưng thường do lượng chạy dao s nhỏ và khi gá đặt dao nói chung người công nhân cũng rất thận trọng. Vì vậy giá trị thay đổi về góc độ dao nhỏ, có thể bỏ qua. Tất nhiên đối với một số trường hợp đặc biệt như giá công ren có bước lớn (tức lượng chạy dao s lớn đáng kể) thì khi đó phải lưu ý sự thay đổi này.
2.3. Vật liệu chế tạo dao
Vấn đề vật liệu có ý nghĩa cách mạng trong ngành cơ khí chế tạo máy. Trong đó vật liệu chế tạo dao đóng vai trò quan trọng.
Trong phần kết cấu của dao đa giới thiệu: dao được cấu tạo bởi ba phần có chức năng khác nhau trong quá trình cắt gọt. Vì vậy vật liệu chế tạo các phần cũng không giống nhau. Thông thường thì phần thân dao và phần gá đặt dao được chế tạo cùng loại vật liệu. Theo kinh nghiệm thì hầu hết các loại dao cần chế tạo phần cắt và phần cán riêng thì vật liệu phần cán được chế tạo bằng thép 45 hoặc thép hợp kim 40X. Chính vì vạy khi nói tới vật liệu chế tạo dao có nghĩa là nói đến vật liệu chế tạo phần làm việc của dao.
2.3.1. Đặc điểm làm việc và yêu cầu đối với vật liệu dao
2.3.1.1. Những đặc điểm về điều kiện làm việc của dao
Phần cắt của dao trực tiếp làm nhiệm vụ tách phoi khi cắt. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, để tách được phoi khi cắt dao đã làm việc trong những điều kiện hết sức khắc nghiệt. Những điều kiện đó có thể khái quát như sau:
1. Khi cắt dao làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, thường từ 800-1000o và có khi cao hơn. ở nhiệt độ cao thường có ảnh hưởng xấu đến cơ -lý tính của vật liệu.
2.3.1.2. Những yêu cầu đối với vật liệu chế tạo dao
Trong những điều kiện làm việc như đã nêu trên, dao muốn cắt gọt được, phải thoả mãn các yêu cầu sau:
2. Trong quá trình cắt mỗi đơn vị diện tích trên bề mặt làm việc của dao phải chịu áp lực rất lớn. Điều đó dễ gây nên hiện tượng rạn nứt và gãy vỡ dao khi cắt.
3. Khi cắt giữa các bề mặt tiếp xúc của dao với phoi và chi tiết gia công xảy ra quá trình ma sát rất khốc liệt. Hệ số ma sát khi cắt lên đến 0,4-1,0.
4. Trong nhiều trường hợp, khi cắt dao phải làm việc trong điều kiện va đập (như phay, bào, xọc), và sự dao động đột ngột về nhiệt độ. Sự dao động về tải trọng lực và nhiệt có ảnh hưởng rất xấu đến khả năng làm việc của dao.
5. ở một số phương pháp gia công (như chuốt, khoan) thì điều kiện thoát phoi, thoát nhiệt khi cắt rất hạn chế. Điều đó càng làm tăng nhiệt độ trên dao khi cắt và dễ gây ra hiện tượng kẹt dao.
1. Vật liệu chế tạo dao phải có độ cứng đảm bảo.
Về nguyên tắc: dao muốn tách được phoi phải có độ cứng cao hơn độ cứng của chi tiết gia công, và độ cứng đó phải duy trì được ở nhiệt độ cắt. Cụ thể theo thực nghiệm, độ cứng ở nhiệt độ bình thường phải đạt được từ 61 HRC trở lên. Khi cắt ở nhiệt độ cao, độ cứng đó phải duy trì trên 55 HRC.
2. Vật liệu chế tạo dao phải có độ bền và độ dẻo cần thiết. Có như vậy mới chịu được áp lực lớn và va đập lớn.
3. Vật liệu chế tạo dao phải có khả năng chịu mài mòn cao.
4. Vật liệu chế tạo dao phải chịu nhiệt tốt - có nghĩa là khi cắt ở nhiệt độ cao thì cơ - lý tính của vật liệu thay đổi trong một phạm vi cho phép.
5. Vật liệu chế tạo dao phải có tính công nghệ tốt và tính kinh tế cao. Điều đó có nghĩa là vật liệu dùng để chế tạo dao phải được gia công dễ dàng, dễ kiếm và giá thành rẻ.
2.3.2. Các loại vật liệu chế tạo dao
2.3.2.1. Thép cacbon dụng cụ và phạm vi ứng dụng của chúng:
Thép cacbon dụng cụ là loại vật liệu được sử dụng sớm nhất vào lĩnh vực cắt gọt. Thành phần hoá học cơ bản của thép cacbon dụng cụ là Fe và C. Trong đó hàm lượng cacbon chiếm khoảng 0,6-1,5%, và hàm lượng cacbon quyết định độ cứng của thép.
Loại vật liệu này có ưu điểm lớn là độ cứng sau khi nhiệt luyện đạt cao (61-65 HRC) và dễ mài sắc, mài bóng. Nhưng cũng có nhược điểm rất cơ bản là khi nhiệt độ cắt lên tới 200-250oC độ cứng của thép giảm rất nhanh; hơn nữa biến dạng sau khi nhiệt luyện rất đáng kể
Vì những nhược điểm cơ bản đó thép cacbon dụng cụ chỉ dùng để chế tạo các loại dao cắt ở tốc độ thấp (dưới 15m/ph) và dao có hình dáng đơn giản.
2.3.2.2. Thép hợp kim dụng cụ và phạm vi ứng dụng:
Khi nấu luyện thép, nếu ta thêm vào mẻ nấu một lượng thích hợp các nguyên tố hợp kim như Crôm (Cr), Mangan (Mn), Silic (Si), Môlypden (Mo), Wolfram (W)..., ta sẽ thu được sản phẩm của mẻ nấu là thép hợp kim. Những loại thép hợp kim dùng để chế tạo dụng cụ cắt gọt là thép hợp kim dụng cụ.
Tuỳ thuộc vào loại nguyên tố hợp kim và hàm lượng của chúng được cho vào mẻ nấu mà tính chất hợp kim có khác nhau. Ví dụ: Crôm sẽ làm tăng độ cứng và độ thấm tôi của thép; Wolfram làm tăng khả năng chịu nhiệt và chịu mòn của thép; Vanadi làm tăng độ bền của thép.
So với thép cacbon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ có những ưu điểm sau:
1. Độ biến dạng khi nhiệt luyện nhỏ. Vì vậy có thể chế tạo được các loại dao phức tạp như dao chuốt, bàn ren...
2. Độ bền nhiệt cao hơn thép cacbon dụng cụ, thường khoảng 350-4000oC. Do đó có thể cắt trong phạm vi tốc độ 15-30 m/ph.
3. Dễ mài sắc và mài bóng
Cũng như thép cacbon dụng cụ khả năng chịu nhiệt của thép hợp kim dụng cụ không đáp ứng được yêu cầu cắt gọt hiện đại (cắt cao tốc), do đó phạm vi sử dụng chúng cũng bị thu hẹp. Hiện nay các loại vật liệu này chủ yếu là dúng để chế tạo các loại dao cắt với tốc độ thấp như bàn ren, ta rô, dao chuốt...
ở nước ta sử dụng các mác thép hợp kim dụng cụ (theo tiêu chuẩn Liên Xô) sau: 9XC, XB..., XB5, XB121, X12. Những mác thép trên khi tôi ở nhiệt độ 820-830oC, có thể đạt được độ cứng 62-64 HRC.
2.3.2.3. Thép gió (thép cao tốc) và phạm vi sử dụng:
Thực chất thép gió là thép hợp kim, nhưng có hàm lượng hợp kim cao, thường 18% Wolfram, 4% Crom và 1% Vanadi. Nhờ vậy cho phép cắt với tốc độ cao hơn thép dụng cụ, thường 30-80m/ph.
Các loại thép gió thường sử dụng là (bảng 2.1)
Bảng 2.1. Các loại thép gió
Thép gió nếu nhiệt luyện với chế độ hợp lý có thể đạt được độ cứng 64 HRC, độ cứng ấy không thay đổi khi nhiệt độ tăng đến 550-600oC.
2.3.2.4. Hợp kim cứng và phạm vi sử dụng:
Hợp kim cứng được chế tạo bằng cách trộn một (hoặc nhiều) loại bột carbit với bột Koban, sau đó đem nung nóng và ép lại thành những mảnh tiêu chuẩn (gọi là thiêu kết). Các
loại và hàm lượng carbit quyết định tính năng cắt gọt của hợp kim cứng; bột Koban chủ yếu có tác dụng dính kết, đồng thời có tác dụng làm tăng độ dẻo của hợp kim cứng.
Cho đến nay, trong ngành chế tạo máy thường dùng ba loại hợp kim cứng sau:
Hợp kim cứng 1 carbit gồm có bột carbit Wolfram và bột dính kết Koban.
Ký hiệu công thức (theo Liên Xô): BC + K = BK
Hợp kim cứng 2 carbit gồm có bột carbit Wolfram, bột carbit Titan trộn với bột dính kết Koban để thiêu kết.
Ký hiệu công thức: (BC + TiC) + = TK
Hợp kim cứng 3 carbit được tạo bằng cách trộn carbit Wolfram, bột carbit Titan và bột carbit Tantan với bột Koban đem thiêu kết.
Ký hiệu công thức: (BC + TiC + TaC) + K = TTK
Hợp kim cứng là loại vật liệu chế tạo dao được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới hiện nay. Vì chúng có nhiều ưu điểm cơ bản mà ba loại vật liệu trước nó không thể có.
Các loại hợp kim cứng đều đã được tiêu chuẩn hoá và cho trong các sổ tay cắt gọt.
Bảng 2.2. Các loại hợp kim cứng thường dùng
Bảng 2.3. Hướng dẫn sử dụng hợp kim cứng
Độ dẻo, lượng chạy dao s
Tính chịu mòn, tốc độ cắt v
Độ dẻo, lượng chạy dao s
Tính chịu mòn, tốc độ cắt v
Ghi chú: v là vận tốc cắt (m/ph)
q là diện tích tiết diện lớp cắt (q = s.t = a.b mm2)
Để tiện việc lựa chọn sử dụng loại vật liệu phổ biến này ta có thể tham khảo bảng 2.3.
2.3.2.5. Các loại vật liệu khác:
Ngoài 4 loại vật liệu thông dụng đã kể trên, trong ngành chế tạo máy người ta còn dùng một số vật liệu khác để chế tạo dụng cụ cắt kim loại, như kim cương, sành sứ, elbor.
1. Vật liệu sành sứ:
Sành sứ được nghiên cứu vào chế tạo dụng cụ cắt từ sau đại chiến thế giới thứ II. Thành phần chủ yếu là oxyt Nhôm (Al2O3). Vật liệu sành sứ có những đặc điểm có bản sau:
1. Có độ cứng rất cao. ở nhiệt độ bình thường khoảng 90 HRA. Độ cứng ấy hầu như không thay đổi khi nhiệt độ lên tới 1000oC.
2. Độ bền uốn rất nhỏ (u = 30 - 40 kg/mm2).
3. Rất khó mài sắc.
Vì những đặc điểm trên, vật liệu sành sứ sẽ có triển vọng rất tốt nếu ta cải tạo được tính dòn của chúng.
Bảng 2.4: Vật liệu sành sứ
2. Kim cương:
Kim cương được hình thành trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Vì vậy chúng có cấu tạo tinh thể đặc biệt, có độ cứng rất cao.
Bên cạnh kim cương tự nhiên, hiện nay người ta cũng dã tạo được kim cương nhân tạo có tinh thể đủ lớn để làm các mảnh dao.
Cũng như sành sứ, kim cương rất dòn (u  30 kg/mm2). Vì nhược điểm này nên kim cương chủ yếu được dùng làm hạt mài để mài các loại vật liệu có độ cứng và độ bền cao (như hợp kim cứng).
Cần lưu ý rằng: Kim cương là loại vật liệu hiếm, đắt tiền do vậy khi sử dụng chúng phải chú ýe đến hiệu quả kinh tế.
3. Vật liệu tổng hợp elbor
Đây là loại vật liệu dao mới chủ yếu là làm hạt mài có tính chất như kim cương.
Để thấy rõ lịch sử phát triển và vận dụng vật liệu chế tạo dao ta có thể biểu diễn sơ đồ hình 2.8 sau đây:
2.3.2.6. Phương hướng phát triển của vật liệu chế tạo dao
Vật liệu là vấn đề không ngừng phải tìm kiếm, phát triển. Do vậy vật liệu dao cũng đang được nghiên cứu tìm kiếm.
Bên cạnh việc tìm kiếm những vật liệu mới thì hướng cơ bản hiện nay là:
1. Thép hợp kim nói chung và thép gió nói riêng có nhiều ưu điểm về phương tiện chế tạo dao. Nếu tăng được khả năng chịu nhiệt và tính chống mòn nó sẽ trở nên rất ưu việt. Để làm được điều này người ta đắp trên mặt thép gió một lớp mỏng vật liệu chịu mòn và chịu nhiệt (ví dụ Titan). Đắp vật liệu gì nữa, đó là hướng tìm hiểu thêm.
2. Sành sứ có độ cứng ưu việt cho việc cắt gọt. Nếu cải tạo được tính dòn sẽ trở nên vật liệu tuyệt vời. Cho thêm vào sàn