TOAN TAP KY THUAT CHE TAO

Hình 1.3 Miền tạo phoi thực tế trong mô hình cắt hai chiều Trên sơ đồ cắt hình 1.3, dụng cụ với góc trước γ, góc sau α chuyển động dọc theo bề mặt chi tiết với vận tốc v nhất định và vớ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trần Doãn Sơn

KỸ THUẬT CHẾ TẠO

(Tái bản lần thứ nhất có sửa chữa, bổ sung)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009

MỤC LỤC

PHẦN I

Chương 1 BẢN CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA CẮT GỌT KIM LOẠI 10

Chương 6 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TẠO RA CHI TIẾT DẠNG

Chương 7 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TẠO RA CHI TIẾT DẠNG

Chương 9 GIA CÔNG CẮT GỌT KHÔNG TRUYỀN THỐNG

9.1 Các quá trình gia công dùng năng lượng cơ 144

9.3 Các quá trình gia công bằng năng lượng nhiệt 151

10.4 Phương pháp thiết kế qui trình công nghệ gia công chi tiết máy 167

LỜI NÓI ĐẦU

Trước hết, tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp thuộc Bộ môn Chế tạo máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành giáo trình này Xin chân thành cảm ơn Giáo sư Serope Kalpakjian, Giáo sư George Schneider đã cho phép tác giả sử dụng các tài liệu tham khảo là các giáo trình hiện đang sử dụng cho sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí của Trường Đại học MIT (Massachusetts Institute of Technology) và Giáo sư Geoffrey Boothroyd về giáo trình đang sử dụng cho sinh viên khoa cơ khí và hàng không của Trường Đại học Massachusetts (School of Engineering Department of Mechanical and Aerospace Engineering University of Massachusetts)

Môn học Kỹ thuật chế tạo cung cấp cho sinh viên ngành cơ khí nói chung và đặc biệt các ngành như Cơ điện tử và Kỹ thuật giao thông những kiến thức cơ bản về lý thuyết cắt gọt kim loại cũng như các phương pháp gia công thông dụng Trong bối cảnh của nền sản xuất hiện đại, nhiều kỹ thuật mới trong lĩnh vực cắt gọt đã được nghiên cứu và đã được đưa vào ứng dụng trong thực tế sản xuất Do vậy, khi trình bày các nội dung trong giáo trình này, ngoài những kiến thức mang tính truyền thống, tác giả muốn giới thiệu thêm các kết quả nghiên cứu mới, đặc biệt, các kết quả về vật liệu dụng cụ cắt, về thiết bị cũng như công nghệ gia công mà việc ứng dụng chúng trong thực tế sản xuất đã đưa lại hiệu quả rất lớn về mặt kinh tế cũng như xã hội

Mặc dù giáo trình không có ý định cung cấp cho người đọc những kỹ năng thực tế vì những kỹ năng này chỉ thu được trong quá trình làm việc cụ thể, nhưng tác giả muốn đúc kết những kinh nghiệm của thực tế sản xuất về lĩnh vực công nghệ, sử dụng dụng cụ, thiết bị và chế độ gia công như thế nào để đạt được hiệu quả về mặt năng suất lao động cũng như hiệu quả kinh tế

Với những mong muốn như vậy, nên khi trình bày các nội dung liên quan đến những kiến thức thực tế cụ thể, tác giả không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để lần tái bản sách được tốt hơn Mọi đóng góp xin gửi về: Bộ môn Chế tạo máy - Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM hoặc gửi qua Email tdson@dme.hcmut.edu.vn Xin chân thành cảm ơn

Trần Doãn Sơn

PHẦN I

LÝ THUYẾT CƠ SỞ CẮT GỌT KIM LOẠI

GIỚI THIỆU HỆ TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ (SI) CỦA CÁC ĐƠN VỊ ĐO

Năm 1960 cuộc họp về khối lượng và đo lường đã đưa ra một hệ thống các đơn vị

đo Hệ thống này viết tắt là SI - International system Hiện nay, nó được sử dụng

rộng rãi trên thế giới ; ngay cả những nước có hệ thống riêng như Mỹ cũng đang

chuyển dần từ hệ thống USCS - United State Customary system sang hệ thống SI

Trong thực tế, hệ thống này rất tiện lợi trong quá trình sử dụng Trong hệ SI về các

đơn vị đã đưa ra định nghĩa năm đơn vị đo cơ bản đó là: chiều dài l (mét - m), khối

lượng m (kilogam - kg), thời gian t (giây - s), nhiệt độ T (kenvin - K), cường độ dòng

điện I (ampe - A)

Để khuyến khích sinh viên và người đọc quen thuộc với hệ SI, trong các chương

của cuốn sách này sử dụng thống nhất hệ đơn vị SI Bảng 1.1 giới thiệu các đơn vị

được trích dẫn tiêu chuẩn SI (Bên cạnh các đơn vị đo bằng tiếng Việt chúng tôi xin

trích dẫn từ khóa bằng tiếng Anh để bạn đọc tham khảo)

Bảng 1.1 Các đơn vị trích dẫn từ hệ SI

Đại lượng được đo Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu đơn vị đo

Tần số quay - Vận tốc góc (rotational

frequency)

Áp suất (pressure)

Ứng suất (stress)

p

Pascal N/m 2 ; Pa

* Trích dẫn từ giáo trình “Fundamentals of Metal Maching and Machine Tools”

của Trường Đại học Massachusetts

Tiền tố của một số đơn vị được cho ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Tiền tố (prefixes) cho các đơn vị hệ SI

Prefix Symbol Multiplier Example Units (Symbols)

Bảng chuyển đổi tương đương của các đơn vị giữa hệ USCS và hệ SI

Đại lượng Đơn vị SI Đơn vị USCS Tương đương

Chiều dài Meter (m) inch (in) 1.0in = 25,4mm = 0,0254m

foot (ft) 1.0ft = 12,0in = 0,3048m = 304,8mm yard 1.0yard = 3,0ft = 0,9144m = 914,4mm mile 1.0mile = 5208ft = 1069,34m

micro-inch ( μ −in ) 1 0 -. μin.= 1 0 10, × −6in.= 25 4 10, × −3μm

Diện tích m 2 , mm 2 In.2, ft2 1.0in.2 = 645,16mm2

1.0ft2 = 144 in.2 = 62 90 10 m , × −3 2Thể tích m 3 In.3, ft3 1.0in.3 = 16,387mm2

Mômen N-m ft-lb, in-lb 1.0ft-lb = 12,0in.-lb = 1,356N-m

Áp suất Pascal (Pa) lb/in.2 1.0lb/in.2 = 6895N/m2 = 6895 Pa

Ứng suất Pascal (Pa) lb/in.2 1.0lb/in.2 = 6,895×10 –3MPa

Năng lượng Joule (J) Ft-lb.in.-lb 1.0ft-lb = 1,356N-m = 0,113J

Công suất Watt (W) Mã lực (hp) 1.0hp = 33.000ft-lb/phút = 745,7J/s = 745,7W

Ví dụ 1: Chuyển đổi từ hệ USCS sang SI:

Chiều dài L = 3,25 in × (25,4mm/in.) = 82,55mm

Ví dụ 2: Chuyển đổi từ hệ SI sang USCS:

Diện tích 1000mm2 = 1000in.2/(645,16in.2) = 1,55in.2

Hình 1.1 Phân loại các phương pháp tạo hình kim loại

Đặc điểm chung của nó là kim loại dư thừa được bóc đi để tạo ra hình dạng mong muốn

Các phương pháp cắt gọt kim loại thuộc họ gia đình các phương pháp bóc kim loại (machining) được minh họa bằng sơ đồ như hình 1.2 Cắt gọt kim loại là những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất Đặc điểm của nó là sử dụng dụng cụ có hình dáng hình học và vật liệu thích hợp cắt lớp vật liệu thừa khỏi chi tiết và tạo ra chi tiết có hình dạng mong muốn Lớp kim loại thừa được bóc khỏi chi tiết gọi là phoi Các phương pháp thuộc cắt gọt kim loại thông dụng như tiện, phay, khoan khoét doa, bào xọc, mài, v.v

Quá trình tạo hình chi tiết

Quá trình đông đặc (đúc)

Quá trình biến dạng (rèn, dập)

Quá trình bóc vật liệu

Hình 1.2 Các phương pháp bóc vật liệu

Cắt gọt là một trong những quá trình gia công quan trọng, có ý nghĩa lớn về kinh tế cũng như công nghệ với những lý do sau:

- Có thể gia công được những vật liệu khác nhau

Phạm vi vật liệu gia công là rất đa dạng, nói chung là những vật liệu rắn như kim loại, gốm sứ, chất dẻo, gỗ, v.v Các vật liệu có độ cứng cao như gốm sứ hoặc kim loại qua xử lý nhiệt cũng có thể gia công rất hiệu quả khi ta dùng phương pháp mài

- Có thể gia công các chi tiết có hình dạng khác nhau

Cắt gọt có thể tạo ra các chi tiết có hình dạng khác nhau từ những chi tiết thông thường như mặt trụ, mặt phẳng, mặt côn, v.v Nó còn tạo ra các bề mặt đặc biệt như mặt ren, mặt định hình, v.v

- Độ chính xác kích thước

Phương pháp cắt gọt có thể tạo ra các chi tiết có kích thước chính xác (dung sai nhỏ) Thông thường các phương pháp có thể đạt ±0,025mm

- Độ nhám bề mặt

Độ nhẵn bóng cao Trị số độ nhám nhỏ hơn 0,4μm

Mặt khác, các phương pháp cắt gọt cũng tồn tại những nhược điểm cố hữu:

+ Lãng phí vật liệu do phải tách lớp phoi khỏi bề mặt chi tiết

+ Thời gian gia công lớn, do phải thực hiện nhiều bước, nhiều nguyên công và

chế độ gia công bị giới hạn nên mất nhiều thời gian khi thực hiện các nguyên công

1.2 CƠ HỌC QUÁ TRÌNH TẠO PHOI

Quá trình cắt gọt, ví dụ như tiện, khoan, phay, cắt ren, là quá trình bóc đi một

lớp kim loại từ bề mặt của chi tiết bằng lực tác động của dụng cụ Lớp kim loại được

tách ra từ chi tiết gọi là phoi Nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan

trọng trong gia công cắt gọt Bản chất cơ học của quá trình tạo phoi là như nhau cho tất cả các phương pháp cắt gọt Mặc dù trong thực tế, hầu hết phần lớn các phương pháp gia công theo mô hình ba chiều nhưng để thuận lợi nghiên cứu các cơ chế cũng như tính toán, chúng ta sử dụng mô hình cắt hai chiều (trên hình 1.3 là trường hợp cắt hai chiều khi bào với lưỡi cắt vuông góc với vận tốc chuyển động của dụng cụ)

Hình 1.3 Miền tạo phoi thực tế trong mô hình cắt hai chiều

Trên sơ đồ cắt hình 1.3, dụng cụ với góc trước γ, góc sau α chuyển động dọc theo

bề mặt chi tiết với vận tốc v nhất định và với chiều sâu cắt điều chỉnh trước t Khi cắt, do tác dụng của lực p, dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước Khi dao

tiếp tục chuyển động, trong vật liệu gia công ban đầu phát sinh ra biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều

dày t p được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều sâu cắt t, di chuyển dọc theo

mặt trước của dao

Khảo sát bằng kính hiển vi đã khám phá ra là phoi được sinh ra bằng quá trình trượt dẻo xảy ra trong một miền nhất định gọi là miền tạo phoi (miền có diện tích giới hạn bởi các đường cong AO và BO) Đường cong OA là đường bắt đầu xảy ra sự trượt, đường cong OB là đường kết thúc sự trượt Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng khi

gia công, nếu tăng vận tốc cắt v, diện tích miền tạo phoi sẽ được thu hẹp lại và quay

theo chiều kim đồng hồ Nếu chúng ta tiếp tục tăng tốc độ cắt đủ lớn, diện tích sẽ bị

co hẹp lại chỉ còn vài μm Để đơn giản hóa, chúng ta giả thiết rằng diện tích vùng trượt chỉ là đường OM và tạo với phương nằm ngang một góc θ gọi là góc trượt (H.1.4)

Hình 1.4 Góc trượt trên mô hình đơn giản hóa

Bởi vì trước khi tạo thành phoi, kim loại bị biến dạng dẻo và sau đó phoi chịu tác dụng của lực ma sát giữa phoi và mặt trước dụng cụ nên chiều dày của phoi hầu

như bao giờ cũng lớn hơn lớp chiều sâu cắt t Để thiết lập các quan hệ giữa góc trượt

θ với các thông số công nghệ như t; γ; ta dùng biểu đồ hình 1.5

Hình 1.5 a) Sơ đồ minh họa cơ chế quá trình tạo phoi; b) Biểu đồ vận tốc trong

λ gọi là hệ số trượt tương đối

Hệ số trượt dẻo là đại lượng đặc trưng cho mức độ trượt dẻo của kim loại

Từ công thức (2.3) và từ thực nghiệm quan hệ giữa vận tốc cắt và góc trượt θ ta

có kết luận như sau: khi tăng vận tốc cắt, góc trượt sẽ tăng, miền tạo phoi thu hẹp

lại, hệ số trượt λ giảm, mức độ biến dạng dẻo giảm, công chi phí cho quá trình tạo phoi thấp Như vậy trên quan điểm giảm công tiêu hao trong miền tạo phoi ta nên

cắt vật liệu ở tốc độ cao

1.3 CÁC DẠNG PHOI

Khi quan sát sự hình thành phoi thực tế dưới những điều kiện cắt khác nhau như vật liệu gia công, thông số hình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt, chúng ta thu được những loại phoi khác nhau như sau:

1.3.1 Phoi dây

Phoi thu được khi gia công vật liệu dẻo, chiều sâu cắt nhỏ và vận tốc cắt lớn và góc trước lớn (H.1.6a)

Hình 1.6 Các loại phoi

Phoi tạo thành dây dài liên tục Mặt tiếp xúc với mặt trước của dao rất bóng, mặt đối diện có gợn sóng Khi quan sát bằng kính hiển vi ta thấy diện tích miền tạo phoi khá hẹp; ngoài ra giữa bề mặt phoi và mặt trước cũng xảy ra biến dạng dẻo Quá trình trượt dẻo không lớn, quá trình cắt dễ dàng hơn Mặc dù khi hình thành phoi dây, bề mặt chi tiết gia công khá tốt Tuy nhiên, không phải lúc nào người ta cũng mong muốn phoi dây, đặc biệt khi gia công trên máy tự động, phoi dây sẽ cuốn vào ụ dao gây trở ngại cho quá trình gia công, phải dùng máy để làm sạch Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng cơ cấu bẻ phoi

1.3.2 Phoi xếp

Phoi thu được khi cắt vật liệu dẻo (thép, đồng thau) ở tốc độ cắt thấp, chiều sâu cắt lớn Phoi kéo dài từng đoạn ngắn Mặt phoi tiếp xúc với mặt trước của dao rất bóng, mặt kia có dạng răng cưa Trên phoi mức độ trượt dẻo được thể hiện rất rõ (H.1.5b)

Phoi xếp chịu biến dạng rất lớn Độ cứng của phoi thu được khi gia công vật liệu

thép tăng 2 ÷ 3 lần so với vật liệu gia công Mức độ biến cứng của bề mặt gia công

cũng lớn hơn bề mặt chi tiết khi hình thành phoi dây

1.3.3 Phoi vụn

Khi gia công vật liệu dòn (gang, đồng thau cứng ) ta thường thu được loại phoi

này Ở đây quá trình hình thành phoi vụn không phải là quá trình trượt dẻo mà khi

cắt do tác dụng của dao, trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi và ứng

suất nén theo phương chuyển động của dao, mặt khác theo phương vuông góc với

chuyển động xuất hiện ứng suất kéo Phoi bị tách ra chủ yếu do ứng suất kéo Do vật

liệu dòn chịu kéo kém nên ứng suất kéo sinh ra đã phá hủy kim loại trước khi xảy ra

trượt dẻo Độ bóng đạt được khi cắt phoi vụn không cao do bề mặt gia công có cấu

tạo giống như bị phá hủy mòn

1.3.4 Xác định hệ số co rút phoi theo trọng lượng

Lấy một số phoi vụn tương đối thẳng, đo chiều dài phoi và cân trọng lượng của

Q i - khối lượng phoi thứ i

l pi - chiều dài phoi thứ i (mm)

ξ- khối lượng riêng của vật liệu phoi (g/cm3)

i pi

Hệ số co rút phoi là một thông số quan trọng để đánh giá lực và công tiêu hao

trong quá trình cắt, điều kiện cắt cũng như vật liệu gia công Trong chừng mực nào

đó, hệ số co rút phoi có thể đặc trưng cho mức độ biến dạng dẻo thay vì đánh giá

chính xác qua hệ số trượt tương đối

1.4 HIỆN TƯỢNG LẸO DAO

Hiện tượng lẹo dao có thể hình thành trên lưỡi cắt của dụng cụ Trong quá trình

cắt ở những điều kiện cắt nhất định, trên lưỡi cắt của dụng cụ hình thành liên tục

những lớp vật liệu từ chi tiết Khi đạt đến một độ lớn nhất định, lẹo dao trở nên

không ổn định và các lớp ngoài có xu hướng tách ra và những lớp mới lại được hình

thành Quan sát bằng thực nghiệm quá trình lẹo dao ta thấy lẹo dao gồm hai phần: phần ổn định và phần không ổn định Phần lẹo dao không ổn định (được mất đi và hình thành mới) có thể được dòng phoi cuốn đi hoặc có thể bám vào bề mặt của chi tiết đã được gia công, điều này ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết

Lẹo dao xuất hiện làm thay đổi góc cắt, lực cắt không ổn định, gây ra rung động của máy dụng cụ Mặc dù khi cắt không mong muốn lẹo lao hình thành, tuy nhiên khi gia công thô lẹo dao trở nên có lợi vì nó che chắn, bảo vệ lưỡi cắt dưới tác dụng của lực và nhiệt cắt

Khi tăng tốc độ cắt, kích thước của lẹo dao giảm dần và có thể mất hẳn vì vận tốc của dòng phoi lớn, lẹo dao không kịp bám vào lưỡi cắt Khi tiện, lẹo dao xuất

hiện trong khoảng vận tốc V = 20÷40m/phút Lẹo dao giảm khi chiều sâu cắt giảm,

góc trước tăng và dùng dung dịch trơn nguội

1.5 LỰC VÀ CÔNG SUẤT CẮT

1.5.1 Lực cắt

Lực và công suất cắt là những đại lượng rất quan trọng với những lý do sau:

- Công suất yêu cầu phải được xác định để từ đó chọn mô tơ của máy cắt phù hợp

- Số liệu về lực cắt cần phải xác định để tính bền cho các cơ cấu trong máy và tính toán sai số do biến dạng của hệ thống công nghệ trong quá trình gia công Lực cắt tác dụng lên dụng cụ trong trường hợp cắt hai chiều được thể hiện như hình 1.7a)

Hình 1.7 a) Lực tác dụng lên dụng cụ cắt trong mô hình cắt hai kích thước b) Lực tác dụng lên dụng cụ cắt trong mô hình ba kích thước

Khi cắt, phoi tác dụng lên mặt trước sinh ra lực pháp tuyến N1 Phoi chuyển

động trên mặt trước sinh ra lực ma sát F1 = μ1N1, trong đó μ1 là hệ số ma sát trung

bình trên mặt trước Tổng hợp lực F1 và N1 là lực Q1, lực này là lực chủ động và thực hiện quá trình tạo phoi

Ngoài lực chủ yếu trên, khi cắt do biến dạng đàn hồi của vật liệu, mặt sau của

dụng cụ sẽ ma sát lên bề mặt đã gia công nên có các thành phần lực N2 và F2, ở đây

F2 = μ2N2, μ2 - hệ số ma sát giữa mặt sau dụng cụ và bề mặt đã gia công

Tổng hợp lực N2 và F2 ta có lực Q2

Tỉ lệ giữa lực Q1 và lực Q2 phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, chiều sâu cắt và

chiều rộng lớp cắt Khi chiều sâu cắt lớn hơn 0,1mm thì lực Q1 lớn hơn nhiều lần so

với Q2 Trong thực tế, ta có thể bỏ qua thành phần lực này khi tính toán Tổng hình

học của Q1 và Q2 ta được lực P, lực này gọi là lực cắt

Lực cắt P có thể phân tích theo các hướng tọa độ X, Y, Z của hệ tọa độ OXYZ thành các thành phần lực P x , P y , P z Trong trường hợp cắt hai chiều như mô hình

hình 1.7a thì lực P x = 0 Khi này ta có:

Trong trường hợp tổng quát, cắt theo mô hình ba chiều thì tồn tại lực P x, ta có công thức tổng quát:

Khi thay đổi các thông số hình học của dụng cụ cắt và các điều kiện cắt thì các

đại lượng P x , P y , P z cũng sẽ thay đổi theo

Khi tiện, quan hệ P z = (0,8 –0,9)P r

P x = (0,3 -0,4) P z

P y = (0,4 -0,5) P z

1.5.2 Công suất cắt

Nếu bỏ qua công suất chạy dao, ta có công suất cắt:

P = P z v×10–3

P - công suất (kW)

P z - lực tiếp tuyến (N)

v - vận tốc cắt (m/s)

Công suất động cơ có thể tính theo công thức:

- Ảnh hưởng bất lợi đến độ bền, độ cứng và độ mài mòn của dụng cụ cắt

- Gây ra sự thay đổi về kích thước của chi

tiết gia công

- Gây ra sự khó khăn trong quá trình kiểm

tra độ chính xác của chi tiết gia công

Vì trong quá trình cắt xảy ra quá trình trượt

dẻo của kim loại và ma sát rất lớn ở mặt trước

của dụng cụ, do vậy nguồn nhiệt chủ yếu sinh ra

tại miền trượt và mặt trước của dụng cụ Thêm

nữa, nếu dụng cụ bị cùn và mòn, nhiệt cũng được

sinh ra giữa mặt sau của dụng cụ và bề mặt của

chi tiết đã được gia công Nhiệt độ tăng với chiều

dài cắt của chi tiết, tốc độ cắt, chiều sâu cắt

Nó giảm khi tăng hệ số dẫn nhiệt của chi

tiết

Sự phân bố nhiệt độ điển hình trong vùng

cắt được chỉ ra ở hình 1.8

Nhiệt độ trung bình khi tiện trên máy tiện tỉ lệ với tốc độ cắt và lượng trong dao được biểu thị như công thức (2.10)

Ngoài ra, bằng thực nghiệm người ta đã xác định được tỉ lệ lượng nhiệt truyền vào chi tiết, dụng cụ, phoi khi tốc độ cắt thay đổi (hình 1.9)

Hình 1.9 Quan hệ giữa lượng nhiệt phân bố chi tiết - dụng cụ - phoi

khi thay đổi tốc độ cắt

Hình 1.8 Sự phân bố nhiệt

điển hình trong vùng cắt

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1 Dựa vào mô hình khi cắt gọt, hãy cho biết những biến số nào là biến số độc lập và biến số nào là phụ thuộc (biến số độc lập là những thông số chọn lựa ban đầu, biến phụ thuộc là kết quả của quá trình gia công)

2 Hệ số co rút phoi phụ thuộc vào những yếu tố nào? Biện luận mối quan hệ

3 Hệ số co rút phoi đặc trưng cho vấn đề gì? Năng lượng nào tạo lên nó?

4 Hệ số trượt tương đối phụ thuộc những yếu tố nào? Biện luận mối quan hệ

5 Giải thích sự khác nhau giữa phoi dây và các loại phoi khác

6 Trong gia công cắt gọt, đặc biệt trên máy tự động, tại sao người ta không mong muốn phoi dây? Biện pháp xử lý?

7 Trình bày phương pháp xác định hệ số co rút phoi thông qua trọng lượng phoi

8 Tại sao cần phải biết lực và công suất khi gia công?

9 Phân tích biểu đồ lực cắt trong mô hình cắt hai chiều

10 Cách xác định các thành phần lực P x ; P y ; P z

11 Thành phần lực vuông góc với bề mặt gia công gây ra tác hại gì? Biện pháp khắc phục?

12 Tại sao nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt lại lớn? Nguồn nhiệt từ đâu?

13 Phân bố nhiệt trong khu vực cắt?

14 Ảnh hưởng của lượng nhiệt lan truyền lên chi tiết, dụng cụ và phoi khi vận tốc cắt thay đổi?

15 Theo anh chị để giảm nhiệt tác động lên chi tiết gia công và dụng cụ cắt thì dùng biện pháp gì?

Công nghệ dụng cụ cắt gồm hai vấn đề cơ bản: hình học dụng cụ cắt và vật liệu

chế tạo dụng cụ Nội dung đầu tiên liên quan đến tối ưu thông số hình học dụng cụ

cắt phù hợp với vật liệu và nguyên công cụ thể Nội dung thứ hai liên quan đến nghiên cứu phát triển vật liệu sao cho trong quá trình gia công có thể chịu được nhiệt cắt, lực cắt lớn và khả năng chịu mài mòn

Ngoài ra trong quá trình cắt gọt, ảnh hưởng của chất bôi trơn, làm nguội cũng đóng vai trò rất quan trọng, quyết định đến hiệu quả kinh tế và chất lượng gia công Trong chương này, các vấn đề nêu trên được trình bày chi tiết

2.2 THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA DỤNG CỤ

Dụng cụ cắt phải có hình dạng phù hợp phù hợp với nguyên công cụ thể Trong thực tế, dụng cụ được phân loại theo phương pháp gia công như dao tiện, dao phay, mũi khoan, v.v

Dụng cụ cắt có thể phân thành hai loại: dụng cụ đơn (một lưỡi) và dụng cụ

nhiều lưỡi Dụng cụ đơn được dùng khi tiện, bào, xọc Dụng cụ nhiều lưỡi, ví dụ như

mũi khoan, mũi doa, ta rô, bàn ren, dao chuốt v.v Phần lớn các phương pháp sử dụng dao nhiều lưỡi có chuyển động quay của dụng cụ Trong quá trình nghiên cứu cơ lý của quá trình cắt, người ta thường khảo sát trên dụng cụ đơn vì nó đơn giản và tổng quát hóa cho mọi dụng cụ

2.2.1 Thông số hình học dụng cụ đơn

Hình dạng tổng quát của dụng cụ đơn được minh họa trên hình 2.1a và sơ đồ chi tiết như hình 2.1b

Hình 2.1 a) Dụng cụ đơn; b) Bảy thông số hình học của dụng cụ đơn

Ở dụng cụ đơn, hướng của mặt trước được xác định bởi hai góc: góc trước trong

tiết diện qua lưỡi cắt chính và vuông góc với mặt đáy (back rake angle αb) và góc

trước trong tiết diện phần lưỡi cắt phụ vuông góc mặt đáy (side rake angle αs).Những góc này sẽ quyết định hướng thoát phoi trên mặt trước

Mặt sau của dụng cụ cũng được xác định bởi hai góc: (end relief angle) và (side

relieft angle) Những góc này xác định độ lớn của góc sau giữa dụng cụ và bề mặt vừa

mới gia công

Lưỡi cắt của dụng cụ đơn được phân thành hai phần: phần chính (end cutting

edge) và phần phụ (side cutting edge) Hai phần này tách rời nhau bởi mũi dao với

bán kính mũi dao Góc cắt của phần chính lưỡi cắt (side cutting edge angle) ảnh hưởng tiết diện kim loại khi cắt Góc cắt của phần phụ lưỡi cắt (end cutting edge

angle) tạo ra góc giữa lưỡi đuôi của dụng cụ và bề mặt chi tiết mới được tạo ra, từ đó

giảm ma sát giữa hai bề mặt này

Như vậy, thông số hình học phần cắt dụng cụ cắt đơn gồm 7 thông số như trên Ngoài ra trong các sách chuyên ngành khác, đi sâu nghiên cứu về dụng cụ người ta có thể giới thiệu các thông số hình học này trong các tiết diện khác nhau

Ngoài các thông số hình học trên, hiện nay trên các mảnh dụng cụ kiểu mới

(insert) người sản xuất thường dập các vân nổi lên hoặc lõm xuống trên mặt trước

với mục đích bẻ phoi

2.2.2 Dụng cụ cắt nhiều lưỡi

Phần lớn dụng cụ cắt nhiều lưỡi được dùng trong các nguyên công cắt gọt với dụng cụ quay ví dụ như trong nguyên công khoan, khoét, doa hoặc phay Tuy nhiên, trong các chuyển động tịnh tiến của dụng cụ vẫn sử dụng dụng cụ nhiều lưỡi, ví dụ như chuốt thẳng, cưa, v.v

Khoan với mũi khoan xoắn ruột gà Đây là loại dụng cụ phổ biến để gia công lỗ

Đường kính mũi khoan có thể chế tạo từ 0,15mm đến 75mm Mũi khoan tiêu chuẩn

được minh họa trên hình 2.2

Hình 2.2 Thông số hình học tiêu chuẩn của mũi khoan xoắn ruột gà

Trên thân của mũi khoan có hai rãnh xoắn (flutes) Góc của các rãnh xoắn này gọi là góc xoắn (helix angle), giá trị của chúng khoảng 30o Các rãnh xoắn này giúp quá trình thoát phoi khi cắt

Mặc dù các góc xoắn này muốn lớn tuy nhiên nó lại ảnh hưởng đến độ cứng vững của thân mũi khoan cụ thể là đường kính lõi nhỏ nhất hay là chiều dày giữa

hai rãnh (web thickness) Phần cuối của mũi khoan có dạng hình côn hay còn gọi là

góc mũi khoan (point angle) Giá trị điển hình của góc côn này là 118o Trên góc côn

có lưỡi ngang (chisel angle) Nối với lưỡi cắt ngang là hai lưỡi cắt Phần rãnh xoắn

kề liền lưỡi cắt có tác dụng như mặt trước của mũi khoan Quá trình cắt của mũi khoan xoắn là một quá trình tổng hợp chuyển động quay và tịnh tiến của mũi khoan, tạo ra tốc độ cắt và tạo ra phoi Tốc độ cắt dọc theo lưỡi cắt thay đổi và là hàm của khoảng cách tới trục quay mũi khoan, tại trục mũi khoan vận tốc bằng không

Mũi khoan xoắn thường chế tạo từ thép tốc độ cao (HSS - Hight Speed Steel)

Các thông số hình học của dụng cụ cắt được tạo ra trước khi nhiệt luyện Mài được dùng để mài sắc các lưỡi cắt và góc mũi khoan

Dao phay bao gồm:

- Dao phay trụ như trên hình 2.3

Các răng được bố trí trên mặt trụ ngoài của dao và các răng này bố trí trên những đường xoắn để giảm va đập khi vào ăn vật liệu chi tiết gia công Yếu tố hình học của dao phay trụ được chỉ ra trên hình 2.4

Hình 2.3 Dao phay trụ: a) lưỡi cắt thẳng; b) lưỡi cắt xoắn

Hình 2.4 Các yếu tố hình học của dao phay trụ 18 răng

- Dao phay mặt đầu được thiết kế với những răng cắt vật liệu ở lưỡi cạnh cũng như lưỡi hông Dao phay mặt đầu có thể được thiết kế bằng thép tốc độ cao (HSS)

như hình 2.5a hoặc bằng các mảnh hợp kim ghép (Insert) hình 2.5b

Hình 2.5 Dao phay mặt đầu: a) liền khối; b) ghép mảnh hợp kim (Insert)

2.3 VẬT LIỆU DỤNG CỤ CẮT

2.3.1 Yêu cầu của vật liệu dụng cụ cắt

Vật liệu dụng cụ cắt và chọn lựa những tính chất của chúng là một trong những yếu tố quan trọng trong gia công cắt gọt Chúng ta biết rằng khi gia công, dụng cụ cắt chịu nhiệt độ cao, lực lớn và mài mòn Nói chung, dụng cụ cắt phải có những đặc trưng xác định để gia công ra chi tiết có chất lượng và kinh tế Những đặc trưng đó là:

- Độ cứng, đặc biệt là độ cứng nóng sao cho độ cứng và độ bền của dụng cụ vẫn

giữ được ở nhiệt độ sinh ra khi gia công

- Độ dai sao cho lực va đập sinh ra khi gia công, đặc biệt các nguyên công cắt có

va đập lớn như phay, tiện các trục , không gây mẻ, bể dao

- Độ chịu mài mòn sao cho tuổi bền được duy trì cho đến khi dụng cụ được mài

lại hoặc thay mới

- Tính công nghệ và kinh tế: Vật liệu dụng cụ cắt cần đảm bảo có khả năng gia

công nhiệt (tính tôi được, độ thấm tôi) và gia công tạo hình bằng các phương pháp cắt gọt và điện hóa học và điện vật lý Ngoài ra cần đảm bảo dễ sản xuất, giá thành hạ,

2.3.2 Các vật liệu dụng cụ cắt

Dụng cụ cắt thường được chế tạo từ những vật liệu sau đây:

- Thép cacbon dụng cụ

- Thép hợp kim dụng cụ

- Thép hợp kim dụng cụ đặc biệt (HSS)

1- Thép cacbon dụng cụ

Thép cacbon dụng cụ là loại thép có hàm lượng cacbon từ 0,7 ÷ 1,5% và một số nguyên tố như:

0,12 ÷ 0,4 % Mn 0,10 ÷ 0,3 % Si

P < 0,03% và S < 0,025%

Thép cacbon sau khi gia công nhiệt (tôi-ram) đạt độ cứng 60 ÷ 62 HRC

Đặc điểm: Độ thấm tôi thấp, độ chịu nhiệt thấp khoảng 200÷250oC, tốc độ cắt

thấp (4 ÷ 5 m/phút)

Phạm vi ứng dụng: chế tạo các dụng cụ làm việc với tốc độ thấp như đục, dũa

trong gia công gỗ ngoài ra còn chế tạo một số dụng cụ gia công kim loại như mũi khoan, dao chuốt, cán ren Hình 3.5 minh họa quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độ của thép cacbon dụng cụ

Hình 2.6 Minh họa quan hệ giữa độ cứng nóng và nhiệt độ, của thép cacbon dụng cụ, [4]

2- Thép hợp kim dụng cụ

Thép có hàm lượng cacbon cao và một số nguyên tố hợp kim có hàm lượng trung bình khoảng 0,5 ÷ 3% như crom, vonfram, molipden, vanadi,

Đặc điểm: Việc thêm các nguyên tố hợp kim vào thép đã nâng cao được một số

tính chất như nâng cao được độ thấm tôi, chịu mài mòn tốt hơn thép cacbon dụng cụ

và cải thiện được độ cứng nóng, nhờ đó vận tốc có thể lấy tăng 20% so với thép cacbon dụng cụ

Phạm vi sử dụng: Thường dùng để chế tạo các loại dụng cụ như dao cạo, dụng cụ

gia công gỗ, taro, bàn ren, dao chuốt, khuôn dập,

3- Thép hợp kim dụng cụ đặc biệt

Thép hợp kim dụng cụ đặc biệt, hay còn gọi là thép cắt tốc độ cao (HSS), là thép

hợp kim cao của các nguyên tố hợp kim chính như vonfram hoặc molipden và một số nguyên tố khác như crom, vanadi, coban, làm tăng khả năng của dụng cụ lên rất nhiều: có khả năng tôi với độ sâu khác nhau, chịu mài mòn tốt Bởi vì nó có độ dẻo và độ bền cao cho nên chịu va đập tốt, do vậy rất thích hợp cho các loại dụng cụ có góc trước dương Nó vẫn duy trì được độ cứng ở nhiệt độ khoảng 600oC

Có hai dạng cơ bản của thép hợp kim cao, đó là nhóm M (nguyên tố hợp kim chính là molipden) và nhóm T (nguyên tố hợp kim chính là vonfram)

Nhóm M chứa tới 10% môlipden và ngoài ra còn có crom, vanadin, vonfram và coban Nhóm T chứa đến 18% vonfram và các nguyên tố hợp kim khác như crom, vanadi, coban Nhóm T thường được gọi là thép gió

Nhóm M có độ chịu mài mòn cao hơn nhóm T nhưng chịu xoắn kém hơn khi gia công nhiệt (khó tôi–ram hơn nhóm T) và giá thành rẻ hơn nhóm T

Thép cắt tốc độ cao được dùng rộng rãi cho các nguyên công đòi hỏi dụng cụ có hình dạng phức tạp như mũi khoan, mũi doa, tarô–bàn ren và dụng cụ cắt răng

Các loại của chúng được cho trên bảng 2.1

Bảng 2.1 Các loại thép hợp kim đặc biệt (HSS), [5]

Loại Thành phần hóa học (%)

Thép cắt tốc độ cao được phát triển mạnh mẽ và được cải tiến không ngừng Nhóm M bắt đầu thay thế nhóm T trong những năm của thập niên 40 Trong thập niên 60, người ta có xu hướng tăng thành phần cacbon trong thép và dùng thêm coban Trong thập niên 70 thép hợp kim bột xuất hiện với độ dai được cải thiện

4- Hợp kim cứng

Hợp kim cứng là một loại vật liệu dụng cụ cắt được sản xuất từ công nghệ luyện kim bột và quá trình thiêu kết của hỗn hợp các hạt cứng cácbit và chất dính kết kim loại Hợp kim cứng đầu tiên dùng làm dụng cụ cắt đã được sản xuất tại Đức từ thập niên 20 gồm cácbit vonfram (WC) với coban làm chất dính kết Hình dạng kết cấu của phần cắt dụng cụ cũng được phát triển song song quá trình phát triển của vật liệu Dụng cụ với mảnh cácbit hàn đã được thay thế bởi loại mảnh lắp ghép và được tạo hình để giúp cho việc bẻ phoi Các hạt cácbit cứng thường là TiC, WC, TaC Loại hợp kim cứng phổ biến nhất có chứa 3÷12% coban đóng vai trò chất dính kết

Phân loại hợp kim cứng tùy thuộc mỗi nước, ví dụ như Liên Xô cũ phân loại theo số loại cacbit, cụ thể là có ba loại:

- Loại một cacbit: Phổ biến là WC, ví dụ của Liên bang Nga sản xuất loại BK8

(8% coban và 92% WC)

- Loại hai cacbit: phổ biến là WC và TiC, ví dụ của Nga có loại T15K6 (6%

coban,15% TiC, phần còn lại (79%) là WC

- Loại ba cacbit: gồm WC, TiC và TaC, ví dụ của Nga có loại TT7K12

Theo tiêu chuẩn ISO, hợp kim cứng được phân loại theo vật liệu được gia công Có ba nhóm đó là nhóm P, nhóm M và nhóm K, tham khảo bảng 2.2

Bảng 2.2 Phân loại nhóm vật liệu dụng cụ theo vật liệu gia công

Thép, thép đúc, Inox

(vật liệu khi cắt có phoi dây)

Thép, thép đúc, thép măngan, hợp kim titan, thép chịu nhiệt

Gang, kim loại màu, chất dẻo (Vật liệu có phoi vụn)

Bảng 2.3 So sánh phân loại của Mỹ và tiêu chuẩn ISO (nguồn: Manufacturing Engineering and Technology - Serope Kalpakjian, 1989), [4]

Tiêu chuẩn

công nghiệp Mỹ Tiêu chuẩn ISO

Tiêu chuẩn công nghiệp Mỹ Tiêu chuẩn ISO

Trên mỗi mảnh hợp kim cứng có ghi luôn nhóm phù hợp với vật liệu mà nó sẽ gia công Mỗi một nhóm lại được phân biệt bằng ký hiệu từ 01 đến 50 Số hiệu nhỏ là ký hiệu loại phù hợp cho gia công với tốc độ cao, tức là loại cứng và chịu nhiệt

cao Loại có số hiệu cao có độ dai lớn phù hợp với điều kiện cắt có va đập

Bảng 2.4 Giới thiệu thành phần hợp kim cứng và tính chất cơ lý

Thành phần hóa học Ký hiệu

WC TiC TaC Co

Độ cứng HRA

- T5K12B: Chữ B ở cuối chỉ loại hạt

to,12%Co,5%TiC, còn lại là WC

Bảng 2.5 Ký hiệu hợp kim cứng theo ISO và một số nước

Nhóm cơ bản (ISO) Phân nhóm (ISO) Màu ROCT 3882-74 Mỹ

P

P01 P10 P15 P20 P25 P30 P40 P50

Xanh

T30K4 T15k6

- T14K8 T20K9 T5K10

- T17K12

C8 C70

- C7 C60 C6 C50 C5

M

M10 M20 M30 M40

Vàng

TT8K6 TT10K8 BK10 TT7K12

Đỏ

BK3-M BK6-M

- BK6 BK8 BK15

C4

- C3 C2 C1 C1

5- Vật liệu có lớp phủ

Trong những năm của thập niên 80, các nhà sản xuất dụng cụ đã đưa vào ứng dụng loại dụng cụ mới, đó là dụng cụ có lớp phủ Một lớp vật liệu rất mỏng khoảng

0,003 ÷ 0,006mm với độ cứng rất cao như titanium nitride (TiN) hoặc titanium

aluminium nitride (TiAlN) trên nền của hợp kim đặc biệt (HSS) hoặc hợp kim cứng Theo số liệu thống kê của hãng Sandvik, hiện nay dụng cụ có lớp phủ chiếm thị phần 70% dụng cụ cắt trên thế giới Loại vật liệu dụng cụ mới này đã cải thiện rất nhiều khả năng cắt của dụng cụ, đặc biệt, chúng có những tính chất sau:

- Giảm khả năng dính của vật liệu chi tiết lên dụng cụ

- Tăng độ cứng bề mặt của dụng cụ, từ đó giảm mài mòn

- Giảm hệ số ma sát giữa dụng cụ và chi tiết từ đó giảm lực cắt và khả năng sinh nhiệt

Tuy nhiên, còn tồn tại một số vấn đề rất khó giải quyết: Quá trình cắt sẽ không tốt nếu xảy ra mẻ sứt lớp phủ tại những vị trí khó phủ

Vật liệu và công dụng của lớp phủ

Vật liệu thường dùng nhất là Titanium–Nitride (TiN), nó có màu vàng thường được phủ lên thép cao tốc hoặc carbide TiN có độ cứng cao, hệ số ma sát nhỏ, giảm được mài mòn và dính trong quá trình gia công

Lớp phủ Titanium–Carbide-Nitride (TiCN) có màu xanh xám và độ cứng cao hơn TiN, do đó chịu mài mòn tốt hơn lớp phủ TiN

Vật liệu phủ Titanium-Aluminum–Nitride (TiAlN) tăng độ cứng nóng, nó có màu tía xám, tính dẫn nhiệt kém nhưng rất cứng Thông thường, người ta không phủ trực tiếp TiAlN lên vật liệu nền mà trước hết phủ lớp oxyt nhôm (Al2O3) lên bề mặt nền sau đó tới nhôm và ngoài cùng là TiAlN Quá trình phủ rất cầu kỳ nhưng chất lượng lớp phủ rất cao Aluminum Oxyt (Al2O3) có độ cứng rất cao thường dùng gia công gang và một số vật liệu có độ cứng cao Lớp phủ Al2O3 có màu đen Ngoài các loại vật liệu phủ giới thiệu ở trên, ngày nay người ta đã đưa vào ứng dụng loại vật liệu phủ CBN Lớp phủ này có độ chịu mài mòn rất tốt Độ cứng của CBN đứng sau kim cương, độ cứng nóng của nó khoảng 2000oC Tinh thể CBN tương tự như kim cương tổng hợp, thích hợp gia công vật liệu rất cứng (trên 48 HRC)

Phủ nhiều lớp hiện nay được sử dụng rộng rãi, mỗi lớp có một chức năng riêng Lớp có độ cứng cao, lớp chống ăn mòn hóa học, lớp chống oxy hóa bề mặt, lớp chịu nhiệt, lớp dùng tăng cường liên kết Tùy môi trường gia công mà sử dụng các vật liệu của lớp phủ khác nhau

° Lớp trên cùng (TiN) được đánh bóng

° Lớp thứ hai gồm TiN và Al2O3 phủ kết hợp

° Lớp thứ ba là TiCN

° Lớp thứ tư là vật liệu nền WC

Hiện nay, có hai phương pháp phủ bề mặt: phương pháp hóa học (chemical

vapour deposition) và phương pháp vật lý (physical vapour deposition) Phương pháp

Hình 2.7 Cấu tạo mảnh hợp kim có bốn lớp phủ

hóa học yêu cầu nhiệt độ cao còn phương pháp vật lý không yêu cầu nhiệt độ cao Tính chất của vật liệu có lớp phủ một mặt phụ thuộc vào vật liệu nền (thép HSS hoặc hợp kim cứng), ngoài ra còn phụ thuộc vào vật liệu lớp phủ

6- Vật liệu sứ

Dụng cụ cắt bằng sứ đã được dùng từ lâu để gia công kim loại (từ thập niên 50)

Vật liệu sứ cấu tạo gồm oxýt nhôm dạng hạt mịn tinh khiết (khoảng 1μm) Chúng

được ép nguội với áp suất cao sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao Sau này, người ta thường thêm vào titanium carbite và ziconium oxide để cải thiện độ dai, và độ chịu

sốc nhiệt Những loại vật liệu sứ này gọi là sứ trắng hay ép nguội Ngoài ra, từ thập

niên 60, một loại vật liệu sứ điển hình gồm 70% oxyt nhôm và 30% titanium carbite

và được ép nóng dưới áp suất cao, loại này gọi là sứ đen hay sứ ép nóng

Vật liệu sứ có độ chịu mài mòn và độ cứng nóng rất cao Chúng ít có khuynh hướng dính với kim loại dẻo, nên khó hình thành lẹo dao Trong thực tế, do chịu va đập kém nên vật liệu sứ thường dùng để gia công tinh hoặc bán tinh các vật liệu gang hoặc thép với tốc độ cắt cao Vật liệu sứ có thể cắt ở điều kiện không dùng dung dịch làm nguội hoặc dùng bôi trơn với dung lượng lớn

Kim cương tự nhiên hoặc nhân tạo tổng hợp từ graphit trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao Kim cương có độ cứng cao hơn hợp kim cứng khoảng 5÷6 lần, tính dẫn nhiệt cao hơn 1,5 ÷ 2,5 lần Hệ số ma sát của kim cương thấp, độ chịu mài mòn cao và khả năng giữ hình dạng lưỡi cắt tốt Tuy nhiên, nó có nhược điểm là giòn, dễ

bị mẻ khi va đập do đó góc trước thường lấy nhỏ Kim cương thường dùng gia công bán tinh và tinh các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt cho các hợp kim và kim loại màu hoặc vật liệu phi kim loại

7- Nitrit Bo lập phương (Cubic Boron Nitride)

Bên cạnh kim cương

Vật liệu mài

Vật liệu mài là vật liệu dùng để chế tạo các loại đá mài, thanh mài và thỏi mài cho các nguyên công mài tròn ngoài, mài lỗ, mài mặt phẳng, mài khôn, mài siêu tinh, và làm giấy nhám

Ngoài ra, nó còn dùng làm bột nhão cho nguyên công mài nghiền Vật liệu dùng làm hạt mài có hai loại: thiên nhiên và nhân tạo Loại thiên nhiên ngoài kim cương thiên nhiên, còn có oxyt nhôm, đá rửa, thạch anh

Hiện nay, loại thiên nhiên rất ít dùng vì chất lượng không đều và không ổn định Thường dùng là vật liệu mài nhân tạo: kim cương nhân tạo, côrun điện, cacbit silic, cacbit bo silic, nitrit bo lập phương

Côrun điện là oxyt nhôm thu được trong lò điện từ quặng bôxit gồm hai loại: côrun điện thường và côrun điện trắng

Côrun điện trắng có 97 ÷ 98% Al2O3 có độ cứng cao hơn côrun điện thường và được lấy ký hiệu là Ct

Co-ri-don nâu Cn dùng mài thô, mài bán tính, mài tinh các vật liệu sức bền cao:

thép, gang hoặc mài sắc các loại dụng cụ cắt bằng thép cacbon dụng cụ Co-ri-don trắng C1 có tính cắt gọt tốt hơn

Ngoài ra còn có oxyt nhôm tinh thể, co-ri-don hợp kim có sức bền và cắt gọt cao hơn Cn, Ct

Cacbit silic (SiC) là hợp chất giữa Si và C được sản xuất dưới dạng xanh và đen Cacbit xanh chứa 98 ÷ 99% SiC ký hiệu Sx, dùng mài sắc hợp kim cứng và sứ Cacbit đen chứa 97 ÷ 98% SiC ký hiệu Sđ, dùng gia công vật liệu có sức bền thấp như gang, đồng thau, alumin, vật liệu phi kim loại

Cacbit bo (B4C) có độ cứng rất cao, chỉ kém kim cương và nitrit bo lập phương Cacbit bo ở dạng bột mịn và bột nhão để mài các vật liệu cứng như thạch anh, ngọc

Cacbit bo silic khác với cacbit bo ở chỗ không có tạp chất graphit nên tính năng ổn định, bền và rẻ hơn Thường chúng được dùng ở nguyên công đánh bóng và cho năng suất cao hơn cacbit bo từ 30 ÷ 40%

2.4 DUNG DỊCH TRƠN NGUỘI

Dung dịch cắt có thể là chất lỏng hoặc gas mà được phun trực tiếp vào vùng gia công Dung dịch cắt giải quyết hai vấn đề chính: Giảm nhiệt sinh ra tại miền tạo phoi, ma sát giữa mặt trước của dụng cụ và phoi cũng như mặt sau dụng cụ và bề mặt chi tiết đã gia công Ngoài ra dung dịch cắt còn có tác dụng tải nhiệt và phoi ra khỏi vùng gia công, giảm lực và công suất cắt, cải thiện chất lượng bề mặt gia công cũng như độ chính xác kích thước

2.4.1 Các dạng dung dịch cắt

Có rất nhiều loại dung dịch cắt đang được dùng trong thực tế Phân loại có thể theo chức năng hoặc theo thành phần hóa học Ở đây ta phân loại theo chức năng: Có hai loại tương ứng với hai chức năng quan trọng đó là làm nguội và bôi trơn

- Chức năng làm nguội được chọn để giảm ảnh hưởng của nhiệt trong quá trình

cắt Chúng có tác dụng hạn chế năng lượng nhiệt sinh ra và đồng thời tải nhiệt ra khỏi vùng gia công do đó sẽ giảm nhiệt truyền vào chi tiết và dụng cụ Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của dụng cụ Lượng nhiệt được giảm đi trong quá trình gia công phụ thuộc tính chất nhiệt của dụng cụ như hệ số dẫn nhiệt, nước có nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt tương đối lớn so với các loại chất lỏng khác, do đó nước được dùng như một chất làm nguội tốt nhất

- Chức năng bôi trơn

Loại dung dịch có tác dụng bôi trơn như: Dung dịch Cl, CCl4, CHCl3, CH3CCl3, v.v

Dưới tác dụng bôi trơn, hệ số ma sát giữa phoi và mặt trước của dụng cụ giảm đáng kể (hình 2.8)

Hình 2.8 Tác dụng của các chất bôi trơn khác nhau khi gia công vật liệu là đồng

thau, vận tốc † –25mm/s, „ – 2 mm/s Góc trước dụng cụ 45 o

2.5 MÒN VÀ HƯ HỎNG DỤNG CỤ

Như chúng ta đã biết, trong quá trình cắt dụng cụ chịu ứng suất cục bộ, nhiệt cắt rất lớn đồng thời chịu ma sát của phoi lên mặt trước dụng cụ Tất cả những tác động này đã gây ra sự mài mòn và hư hỏng dụng cụ và tác động bất lợi đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công, độ chính xác kích thước cũng như ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của quá trình cắt gọt Có hai vùng mòn cơ bản của dụng cụ cắt: mòn mặt sau và mòn mặt trước (H.2.9)

Hình 2.9 Mòn mặt sau và mòn mặt trước của dụng cụ cắt a) Mòn mặt sau và mặt trước của dụng cụ; b) Diện tích mòn mặt trước

c) Diện tích mòn mặt sau và lượng mòn trung bình VB

2.5.1 Mòn mặt sau

Mòn mặt sau của dụng cụ (H.2.9a) thông thường do:

- Cọ sát của bề mặt sau của dụng cụ lên bề mặt đã gia công

- Do nhiệt cắt lan truyền và phát triển

Trong công trình nghiên cứu về gia công thép của F.W Taylor, quan hệ sau đã

được thiết lập:

V - tốc độ cắt

T - thời gian xảy ra và phát triển mòn mặt sau (phút)

n - số mũ phụ thuộc vào vật liệu dụng cụ, vật liệu chi tiết và điều kiện cắt

(n = hằng)

Bảng 2.6 Giá trị n

Vật liệu của dụng cụ n

Số mũ n và hệ số C được xác định bằng thực nghiệm Phạm vi thay đổi của n

được cho trong bảng 2.6, [5]

2.5.2 Tuổi bền của dụng cụ

Những đường cong biểu thị tuổi bền của dụng cụ được xây dựng bằng thực nghiệm (H.2.10) Tuổi bền của dụng cụ giảm nhanh khi tốc độ cắt tăng và phụ thuộc nhiều vào vật liệu của chi tiết

Hình 2.10 Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi và tuổi mòn của vật liệu gang đúc đến độ mòn mặt sau dụng cụ [5]

Trên đồ thị, chúng ta nhận thấy có sự khác biệt của tuổi mòn khi cấu trúc tế vi của vật liệu khác nhau Khi xử lý nhiệt để thu được cấu trúc có pherit, peclit hay mactenxit đều ảnh hưởng đến tuổi mòn của dụng cụ

Nhiệt độ ảnh hưởng đến tính chất cơ học và vật lý của vật liệu, kết quả gây mài mòn Qua khảo sát nhận thấy rằng, khi nhiệt độ tăng, mòn mặt sau tăng mạnh Trong các yếu tố của chế độ cắt, tốc độ cắt ảnh hưởng lớn nhất, sau đó đến lượng

Độ cứng Đường cong tương

ứng với vật liệu (HB) Pherit Peclit

chạy dao và chiều sâu cắt

2.5.3 Độ mòn cho phép

Chúng ta quyết định mài lại hay thay thế dụng cụ khi chất lượng của bề mặt chi tiết gia công bắt đầu xấu đi, lực cắt tăng lên đáng kể Chất lượng bề mặt chi tiết gia công xấu đi rõ rệt và nhiệt cắt tăng mạnh Để đảm bảo dụng cụ làm việc tránh được những hiện tượng trên, chúng ta phải qui định cho dụng cụ một lượng mòn cho phép

(VB) Lượng mòn cho phép được chỉ ra trên bảng 2.7 [5]

Bảng 2.7 Độ mòn cho phép

Phương pháp gia công Thép tốc độ cao Hợp kim cứng

Phay mặt phẳng bằng dao phay trụ 1,5 0,4

Phay mặt phẳng bằng dao mặt đầu 0,3 0,3

Để tăng độ chính xác và giảm độ nhám bề mặt của loạt chi tiết gia công chúng

ta có thể lấy độ mòn cho phép nhỏ hơn trị số cho trong bảng 2.7 Tuổi bền cho phép

đối với thép tốc độ cao thông thường chọn trong khoảng 60÷120 phút Đối với vật liệu hợp kim cứng thông thường chọn 30÷60 phút

Chúng ta có thể hiểu được ảnh hưởng của tốc độ cắt đến khối lượng kim loại được bóc đi trong quá trình gia công với tuổi bền cho phép tương ứng bằng cách phân tích đồ thị hình 2.10 Giả thiết đang gia công vật liệu có độ cứng theo đường

cong “a” đó là gang đúc có độ cứng 265 HB Nếu tốc độ cắt là 1m/giây, tuổi bền tương

ứng là 40 phút Trong khoảng thời gian cắt này, dụng cụ cắt được chiều dài là:

(1m/g).(60 giây/phút) (40 phút) = 2400 mét trước khi dụng cụ được mài lại hoặc thay thế Bây giờ, nếu chúng ta tăng tốc độ lên 2m/g, tuổi bền của dụng cụ còn 5

phút Dụng cụ cắt được quãng đường (2)(60)× (5) = 600 mét

Vì khối lượng bóc kim loại tỉ lệ với quãng đường dao đi được tương ứng với tuổi bền, nên khi giảm tốc độ cắt, chúng ta cắt được kim loại nhiều hơn giữa hai lần mài lại hoặc đổi dụng cụ, tuy nhiên tốc độ cắt giảm và thời gian gia công chi tiết kéo dài Những sự thay đổi này đều ảnh hưởng đến chỉ tiêu kinh tế

2.5.4 Mòn mặt trước

Mòn mặt trước xuất hiện ở mặt trước của dụng cụ (H.2.9b) làm thay đổi trạng thái hình học giữa bề mặt tiếp của phoi và dụng cụ, từ đó ảnh hưởng đến quá trình gia công Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến mòn mặt trước là nhiệt độ giữa mặt tiếp xúc của phoi và mặt trước dụng cụ và sự tương tác hóa học của chúng ở nhiệt độ cao

Mòn mặt trước chủ yếu do sự khuếch tán các nguyên tử giữa hai bề mặt của phoi và mặt trước dụng cụ Quá trình khuếch tán tăng khi nhiệt độ tăng Hình 2.11 là đồ thị biểu thị quan hệ giữa lượng mòn mặt trước và nhiệt độ trung bình giữa mặt tiếp xúc của phoi và dụng cụ

Hình 2.11 Quan hệ giữa mòn mặt trước và nhiệt độ trung bình giữa

bề mặt tiếp xúc của phoi và mặt trước dụng cụ, [5]

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2

1 Các bề mặt của phần cắt dụng cụ một lưỡi (dụng cụ đơn)?

2 Lưỡi cắt chính được hình thành từ mặt nào của phần cắt dụng cụ?

3 Các thông số hình học của dụng cụ đơn?

4 Những yêu cầu cơ bản của vật liệu dụng cụ cắt?

5 Các loại vật liệu dụng cụ cắt thường dùng?

6 Ký hiệu vật liệu cắt tốc độ cao (HSS) và hợp kim cứng theo tiêu chuẩn ISO?

7 Trình bày vật liệu phủ trong cắt gọt kim loại?

8 Những thông tin cần biết khi chọn vật liệu và kết cấu dụng cụ?

9 Tác dụng của chất bôi trơn và làm nguội?

10 Giải thích hiện tượng sốc nhiệt

11 Mòn mặt trước, nguyên nhân chính?

12 Mòn mặt sau, những nguyên nhân chính?

13 Khái niệm về tuổi bền dụng cụ?

14 Công thức Taylor và ý nghĩa của nó?

15 Trình bày ký hiệu về dụng cụ của một hãng nổi tiếng trên thế giới

Chương 3

CHẤT LƯỢNG CHI TIẾT GIA CÔNG

3.1 ĐỘ CHÍNH XÁC CHI TIẾT GIA CÔNG

3.1.1 Khái niệm và định nghĩa

Hai chi tiết bất kỳ, một chi tiết sau khi gia công và chi tiết cho ở trên bản vẽ thiết kế, bao giờ cũng khác nhau Nguyên nhân của sự khác nhau này là sự không hoàn thiện của quá trình gia công Để đánh giá sự khác biệt này, người ta dùng khái

niệm độ chính xác gia công Do vậy, độ chính xác gia công của chi tiết máy là mức

độ giống nhau về mặt hình học và đặc trưng cơ học của chi tiết thực gia công được

so với chi tiết cho trên bản vẽ thiết kế

1- Sự giống nhau về hình học

- Độ chính xác về kích thước (kích thước thẳng hoặc góc)

- Độ chính xác về hình dạng hình học đại quan (độ trụ, độ côn, độ ô van, độ đa cạnh)

- Độ chính xác về vị trí tương quan (độ song song, độ vuông góc, )

- Độ chính xác về hình học tế vi lớp bề mặt (độ nhám)

2- Đặc trưng cơ học của lớp bề mặt gồm:

- Biến cứng bề mặt (mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng)

- Ứng suất dư lớp bề mặt (kéo hoặc nén)

3.1.2 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công trên máy công cụ

Để đạt được độ chính xác gia công yêu cầu, ta thường dùng hai phương pháp:

1- Phương pháp đo và cắt thử từng chi tiết (phương pháp điều chỉnh bằng tay)

Người thợ tiến hành định vị và kẹp chặt chi tiết gia công lên đồ gá Dụng cụ cắt được điều chỉnh trực tiếp bởi công nhân Trong quá trình thực hiện nguyên công, người công nhân phải đo kích thước được gia công

Phương pháp này có những ưu điểm sau:

- Có thể đạt được độ chính xác về kích thước nhờ quá trình xử lý trực tiếp của người công nhân (tùy thuộc trình độ người công nhân)

- Có thể loại trừ được ảnh hưởng của dao mòn vì trong từng bước điều chỉnh, người công nhân đã trực tiếp loại trừ được các sai số hệ thống thay đổi gây ra trên từng chi tiết

- Đối với phôi liệu không đều, người thợ có thể chủ động phân bố lượng dư nhờ quá trình lấy dấu và rà gá

- Không cần đồ gá phức tạp

Bên cạnh những ưu điểm, phương pháp này còn tồn tại một số nhược điểm:

- Khi điều chỉnh lần cuối nếu lượng dư lớp còn lại quá nhỏ Nếu tổng cộng lớp lượng dư này và dung sai nhỏ hơn khả năng cắt của dụng cụ thì không thể đạt được dung sai yêu cầu Để đạt được độ chính xác, người công nhân cần có kinh nghiệm trong những lần điều chỉnh cuối

- Người thợ phải tập trung cao trong quá trình gia công do vậy dễ mệt mỏi và dễ gây phế phẩm

- Do phải cắt thử nhiều lần nên năng suất thấp

- Trình độ người thợ yêu cầu cao

- Giá thành chế tạo cao

Phương pháp này thường dùng trong sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, trong công nghệ sửa chữa và chế thử

2- Phương pháp tự động đạt kích thước

Trong sản xuất hàng loạt lớn và

hàng khối, để đạt độ chính xác gia

công yêu cầu, chủ yếu là dùng phương

pháp tự động đạt kích thước trên các

máy công cụ đã điều chỉnh sẵn Theo

phương pháp này dụng cụ cắt có vị trí

tương quan cố định so với vật gia công

(tức là vị trí đã được điều chỉnh) Nói

ngược lại thì vật gia công cũng phải

có vị trí xác định so với dụng cụ cắt

Vị trí này được đảm bảo nhờ các cơ

cấu định vị của đồ gá Còn đồ gá lại

có vị trí xác định trên bàn máy cũng

nhờ các đồ định vị riêng Khi gia công

theo phương pháp này máy và dao đã

được điều chỉnh sẵn Ví dụ trên hình

3.1, vật gia công đã được định vị nhờ

cơ cấu định vị tiếp xúc với mặt đáy và

Hình 3.1 Phương pháp tự động đạt kích thước trên máy phay

mặt bên Dao phay đĩa ba mặt đã được điều chỉnh trước sao cho mặt bên D của dao cách mặt bên của đồ định vị một khoảng bằng b cố định và đường sinh thấp nhất của dao cách mặt trên của phiến định vị phía dưới một khoảng bằng a Do đó, khi

gia công cả loạt phôi, nếu không kể đến đôï mòn của dao (coi như dao không mòn) thì

các kích thước b và a nhận được trên các vật gia công của cả loạt đều bằng nhau

Phương pháp này có những ưu điểm sau:

- Đảm bảo độ chính xác gia công, giảm bớt phế phẩm Độ chính xác đạt được khi gia công hầu như không phụ thuộc vào trình độ tay nghề của công nhân và bề dày bé nhất của lớp phoi hớt đi, bởi vì lượng dư gia công theo phương pháp điều chỉnh máy sẽ lớn hơn bề dày bé nhất của lớp phoi có thể cắt được

- Chỉ cắt một lần là đạt kích thước yêu cầu, không mất thì giờ cắt thử, đo nhiều lần do đó năng suất cao

- Nâng cao hiệu quả kinh tế

Tuy vậy, phương pháp này còn có một số hạn chế về mặt hiệu quả kinh tế nếu qui mô sản xuất quá bé vì:

- Phí tổn về thiết kế, chế tạo đồ gá cũng như phí tổn về công và thời gian điều chỉnh máy, dao lớn có thể vượt quá hiệu quả mà phương pháp này mang lại

- Phí tổn về việc chế tạo phôi chính xác không bù lại được, nếu số chi tiết gia công quá ít khi tự động đạt kích thước ở nguyên công đầu tiên

- Nếu chất lượng dụng cụ kém, mau mòn thì kích thước đã điều chỉnh sẽ bị phá hoại nhanh chóng Nghĩa là bị thay đổi trong thời gian ngắn Do đó, cứ phải

“điều chỉnh lại” luôn để khôi phục lại kích thước đã điều chỉnh ban đầu Điều này gây tốn kém và khá phiền phức Nếu điều chỉnh bằng tay thì phí tổn về thời gian tăng lên và độ chính xác sẽ thấp

Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển nhanh chóng của lý thuyết tự động và điều khiển tự động, để nâng cao độ chính xác gia công trong ngành chế tạo máy, giảm bớt thời gian điều chỉnh lại máy, trên máy công cụ người ta đặt thêm một thiết bị tự động đo và điều chỉnh Nhờ đó, khi kích thước gia công vượt khỏi giới hạn của dung sai cho phép mà bộ phận tự động đo đã xác định được thì bộ phận điều chỉnh sẽ tự động điều chỉnh lại hệ thống để đạt được kích thước quy định Lúc này tất cả các chi tiết gia công đều là chính phẩm

3.1.3 Dung sai, lắp ghép và cấp chính xác kích thước của chi tiết máy

1- Dung sai

Các kích thước của một chi tiết có được trong quá trình tính toán thiết kế hoặc lựa chọn theo ý đồ thiết kế hoặc công nghệ là kích thước danh nghĩa (đã được qui tròn theo dãy kích thước ưu tiên) Tuy nhiên, trong thực tế chế tạo, do ảnh hưởng của một loạt các yếu tố nên kích thước thực của chi tiết không hoàn toàn đúng với kích thước danh nghĩa mà dao động xung quanh trị số kích thước danh nghĩa đó là sai số không thể tránh khỏi Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của chi tiết trong máy mà quy định phạm vi cho phép của sai số này Sai số cho phép này chúng ta gọi

là dung sai Để xác định dung sai ta định nghĩa một số thuật ngữ sau:

- Kích thước thực: kích thước đo được bằng dụng cụ đo thích hợp

- Kích thước giới hạn: Hai kích thước giới hạn cho phép của một yếu tố (bề mặt)

giữa chúng chứa kích thước thực Có kích thước giới hạn lớn nhất và kích thước giới hạn nhỏ nhất (H.3.2)

Hình 3.2 Kích thước danh nghĩa, kích thước giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất của chi

tiết

- Sai lệch: hiệu đại số giữa một kích thước (kích thước thực, kích thước giới hạn

v.v ) và kích thước danh nghĩa tương ứng Có sai lệch trên, được ký hiệu ES đối với lỗ và ký hiệu es đối với trục, và sai lệch dưới, được ký hiệu là EI đối với lỗ và ei đối với trục

+ Sai lệch trên ES, es: hiệu đại số giữa kích thước giới hạn lớn nhất và kích

thước danh nghĩa tương ứng (H.3.3)

Hình 3.3 Biểu diễn qui ước sai lệch trên (ES, es), sai lệch dưới (EI, ei) và dung sai

+ Sai lệch dưới EI, ei: hiệu đại số giữa kích thước giới hạn nhỏ nhất và kích

thước danh nghĩa tương ứng (H.3.3)

- Đường không: đường thẳng dùng để xác định kích thước danh nghĩa khi biểu

diễn dung sai và lắp ghép bằng sơ đồ, sai lệch dương được đặt ở phía trên đường không, sai lệch âm được đặt ở phía dưới đường không

- Sai lệch cơ bản: sai lệch dùng để xác định vị trí của miền dung sai so với

đường không

Từ định nghĩa này có thể xem sai lệch cơ bản là sai lệch trên hoặc sai lệch dưới gần với đường không nhất Trên hình 3.4, đối với lỗ, sai lệch cơ bản là sai lệch dưới, còn đối với trục, sai lệch cơ bản là sai lệch trên

Theo TCVN 2244: 1999 (ISO 286-1 : 1998) có 27 sai lệch cơ bản của lỗ và 27 sai lệch cơ bản của trục đối xứng với nhau qua đường không (H.3.4)

Hình 3.4 Sai lệch cơ bản của lỗ và trục

Dung sai kích thước là hiệu giữa kích thước giới hạn lớn nhất và kích thước giới hạn nhỏ nhất, nghĩa là hiệu giữa sai lệch trên và sai lệch dưới

Dung sai kích thước có ký hiệu T Dung sai về mặt trị số nó là hiệu số của kích

thước giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất hoặc là hiệu số đại số giữa sai lệch trên và sai lệch dưới