Bài Giảng Cắt Kim Loại

Đặc điểm của quá trình cắt khi phay Milling  Phay là một ph ơng pháp cắt kim loại rất thông dụng.Trong các nhà máy cơ khí máy phay chiếm từ 20 ữ 30 % tổng số máy cắt kim loại..  Ngo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÀI GIẢNGC¾t kim lo¹i

7.1 Đặc điểm của quá trình cắt khi phay ( Milling )



Phay là một ph ơng pháp cắt kim loại rất thông dụng.Trong các nhà máy cơ khí máy phay chiếm từ ( 20 ữ 30) % tổng số máy cắt kim loại Ph ơng pháp phay có một số đặc điểm:

 - Khả năng công nghệ của phay khá cao Có thể phay đ ợc mặt phẳng, mặt định hình, trục then hoa, rãnh then, cắt đứt, cắt ren, cắt bánh răng

 - Có nhiều loại dao phay: Dao phay trụ răng thẳng, dao phay trụ răng xoắn, dao phay mặt đầu, dao phay ren, dao phay bánh răng, dao phay định hình

 - Phay kim loại có độ chính xác và độ nhẵn bóng trung bình nh ng có nhiều răng đồng thời tham gia cắt nên th ờng cho năng suất cao.

 - Dao phay có nhiều l ỡi cắt, các l ỡi cắt làm việc không liên tục và do khối l ợng dao th ờng lớn nên khả năng truyền nhiệt tốt.

 Diện tích cắt thay đổi nên khi phay th ờng xảy ra rung động, l ỡi cắt làm việc gián đoạn nên gây va đập Vì vậy khó hình thành lẹo dao.

7.2 Kết cấu và thông số hình học phần cắt của dao phay.

 7.2.1 Dao phay trụ răng xoắn

 Dao phay trụ răng xoắn có đ ờng kính D, chiều dài l Phần cắt có kết cấu nh sau :

 - Mặt tr ớc 1, mặt sau 2 , cạnh viền 3, mặt l ng răng 4, l ỡi cắt xoắn 5 Cạnh viền 3 nằm giữa l ỡi cắt 5 và mặt sau 2 có chiều rộng f = (0,05 ữ 1) mm, răng dao có chiều cao là h.

 - Các góc của dao trong tiết diện pháp tuyến A-A là : γ , α

có ảnh h ởng quyết định đến quá trình cắt khi phay nh sự co rút phoi, lực cắt, sự mài mòn dao, chất l ợng bề mặt gia công Còn các góc trong tiết diện mặt đầu: γn , αn chỉ dùng để điều chỉnh dao phay khi mài mặt tr ớc, mặt sau Chúng có quan hệ nh sau:

Hinh 7.5 Dao phay trô rang xo¾n

 Mét sè yÕu tè kÕt cÊu kh¸c :

 - B íc vßng Tv : lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai r¨ng kÒ nhau ®o theo cung trßn ® êng kÝnh D

 Tv =

 - Gãc gi÷a hai r¨ng kÒ nhau ε: ε =

 Víi Z lµ sè r¨ng dao phay.

 - B íc ph¸p tuyÕn T n : Lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai r¨ng liªn tiÕp ®o theo ph ¬ng ph¸p tuyÕn víi ph ¬ng r¨ng:

7.2.2 Dao phay mÆt ®Çu

 H×nh 7.6 Dao phay mÆt ®Çu

 Ngoài một số thông số kết cấu t ơng tự nh dao phay trụ răng xoắn dao phay mặt đầu còn có một số đặc điểm khác nh sau:

 - Mỗi răng dao phay mặt đầu thép gió có 3 l ỡi cắt Khi phay bằng mặt đầu thì l ỡi 2-3 là l ỡi cắt chính, l ỡi 3 - 4 là l ỡi cắt phụ Khi phay mặt thẳng đứng bằng l ỡi trên mặt trụ thì chỉ

có một l ỡi 1- 2 làm việc Lúc này dao mặt đầu giống nh dao phay trụ

 7.3 Các yếu tố của chế độ cắt và lớp cắt khi phay.

 Các yếu tố của chế độ cắt và lớp cắt khi phay bao gồm:

 7.3.1.Chiều sâu cắt t O :

 - Chiều sâu cắt t O là kích th ớc lớp kim loại đ ợc cắt đi

ứng với một lần chuyển dao đo theo ph ơng vuông góc với bề mặt gia công.

 7.3.2 L ợng chạy dao S:

 Ng ời ta phân biệt 3 loại l ợng chạy dao:

 + L ợng chạy dao S răng (): Là khoảng dịch chuyển của bàn

máy khi dao quay đ ợc một góc răng ( = 360/Z ) với Z là số răng của dao phay, đơn vị của là mm/ răng.

 + L ợng chạy dao S vòng( ): Là khoảng dịch chuyển của bàn máy sau một vòng quay của dao quay = Z ( mm/ vg )

 + L ợng chạy dao S phút : Là khoảng dịch chuyển của bàn máy sau thời gian một phút = Z n ( mm/ ph )

 7.3.4 Tốc độ cắt:

 Thực tế khi phay quỹ đạo của l ỡi cắt là tổng hợp của hai

chuyển động Chuyển động quay tròn của dao Vn và chuyển

động tịnh tiến Vs Nh ng Vs rất nhỏ so vớ Vn Nên khi phay ng

ời ta cho phép tính tốc độ cắt theo công thức:

 7.3.5 Cung tiếp xúc, góc tiếp xúc :

 - Cung tiếp xúc là cung tròn của dao phay tiếp xúc với chi tiết gia công có chiều dài ký hiệu l.

 - Góc tiếp xúc là góc ở tâm chắn cung tiếp xúc Ký hiệu ψ

H×nh 7.7 Cung tiÕp xóc, gãc tiÕp xóc

7.3.6 ChiÒu s©u phay:

Lµ kÝch th íc líp kim lo¹i ® îc c¾t ®i ®o theo ph ¬ng vu«ng gãc víi trôc cña dao, øng víi gãc tiÕp xóc ψ

 - Khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng, răng xoắn, dao phay

đĩa, dao phay định hình, dao phay góc thì chiều sâu phay t trùng với chiều sâu cắt t O

 - Khi phay bằng dao phay ngón thì chiều sâu phay t trùng với đ ờng kính dao,

 - Khi phay đối xứng thì chiều sâu phay t bằng chiều rộng chi tiết.

Hinh 7.8 C¸c yÕu tè khi phay

 7.3.8 Chiều dày cắt a khi phay:

 a, Định nghĩa:

 Chiều dày cắt a khi phay là khoảng cách giữa 2 vị trí kế tiếp của quỹ đạo chuyển động của một điểm trên l ỡi cắt ứng với

l ợng chạy dao răng Sz.

 Trong quá trình phay chiều dày cắt a biến đổi từ trị số a min

đến trị số a max và ng ợc lại, tuỳ theo ph ơng pháp phay.

 b, Chiều dày cắt a khi phay bằng dao phay trụ:

 Ta thấy :Tại một điểm M nằm trên cung tiếp xúc ứng với góc tiếp xúc θ chiều dầy cắt lúc đó đ ợc ký hiệu a M có chiều dài bằng đoạn MC , coi cung MN thẳng ta có tam giác CMN vuông, vậy: CM = CN sin θ

Hinh 7.9 ChiÒu dµy c¾t a khi phay b»ng dao phay trô

Hinh 7.10 ChiÒu dµy c¾t a cña dao phay mÆt ®Çu

 Ta thấy: Khi bàn máy dịch chuyển một l ợng là Sz thì quỹ đạo l ỡi cắt dịch chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 2 và l ỡi dao cắt một lớp kim loại có chiều dày a M (a M thay đổi tuỳ vào vị trí của điểm M trên cung tiếp xúc )

 Với chiều quay nh hình vẽ mỗi răng dao bắt đầu vào cắt tại

 tiết diện B B ứng với góc – θ = , lúc đó a min = Sz sin ϕ cos

 Sau đó góc θ giảm dần đến 0 ở tiết diện A-A, ứng với:

 a max = Sz sin ϕ.cos θ = Sz sin ϕ

 Theo sự chuyển động của dao về phía phải tiết diện A-A góc

 θ lại tăng dần đạt lớn nhất tại tiết diện C- C, ứng với góc θ = ta

 lại có a min = Sz sin ϕ.cos

2

ϕ

2 ϕ

2

ϕ

2

ϕ

 7.3.9 Chiều rộng lớp cắt b khi phay:

 1, Dao phay mặt đầu:

 Khi phay bằng dao phay mặt đầu chiều rộng lớp cắt b giống

nh khi tiện là một đại l ợng không đổi:

b =

 2, Dao phay trụ răng thẳng: b = B

 3, Dao phay trụ răng xoắn:

 Nếu khai triển mặt trụ dao phay và trải ra trên một mặt

 phẳng thì trên hình chiếu bằng ta có hình ảnh của các răng dao

 phay trụ răng xoắn đang cắt vào vùng tiếp xúc và hình ảnh sự

 thay đổi của b

 Ta thấy: Toàn bộ răng thứ nhất với chiều dài b 1 đang nằm

 trong vùng tiếp xúc Nghĩa là chiều rộng cắt của răng này cũng

 là b 1 Trong khi đó răng thứ hai chỉ có chiều dài b 2 đang tham gia

 cắt, nh vậy răng thứ hai có chiều rộng lớp cắt là b 2 .



ϕ

sin

B

Theo chiều quay của dao mỗi răng dao đi vào vùng cắt dần dần từng điểm một nh vậy chiều rộng cắt b2 sẽ tăng lên cho đến khi bằng b1 Chiều rộng lớp cắt do răng thứ nhất và răng thứ hai đ

ợc biểu diễn nh sau:



 b 1 = b 2 =

Vì : nên b 2 =

 Trong đó:

 D - là đ ờng kính dao phay, ω là góc nghiêng của răng dao phay

 - là góc tiếp xúc tức thời ứng với đầu răng thứ nhất

 - là góc tiếp xúc tức thời ứng với cuối răng thứ nhất

 - là góc tiếp xúc tức thời ứng với đầu răng thứ hai

 - là góc tiếp xúc tức thời ứng với cuối răng thứ hai

) ( d1 c1

) ( d2 c2

 Xét công thức tính b 2 ta thấy chiều rộng lớp cắt b của dao phay phụ thuộc vào giá trị của góc Đến khi tăng đến giá trị

Nh vậy: Chiều rộng cắt b lúc đầu là l ợng tang dần theo rồi đạt

đến trị số cố định bằng chiều dài phần răng tham gia cắt sau đó lại giảm dần đến trị số bằng 0 khi răng thoát ra khỏi cung tiếp xúc

θ

 7.3.10 Diện tích cắt khi phay:

 a, Diện tích cắt khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng:

 Tr ớc hết xét diện tích cắt fi do răng thứ i nào đó cắt ra:

 fi = ai.bi

 Vì : ai = Sz sin , bi = B

 nên:

 fi = Sz B sin

 Nếu ở thời điểm nào đó có n răng đồng thời tham gia cắt thì diện tích cắt tổng cộng của chúng sẽ là: 

 F = Sz B

 Nhận xét : Diện tích cắt là một đại l ợng thay đổi phụ thuộc góc Do đó khi phay lực cắt thay đổi, dẫn đến rung động làm giảm độ chính xác gia công







i

θ

i

θ

i

θ

∑

=

n i

i

1

sinθ

i

θ

 b, Diện tích cắt khi phay bằng dao phay trụ răng xoắn:

 Gỉa sử trong cung tiếp xúc có một răng thứ i nào đó đang cắt Chiều dày cắt ai đ ợc tính theo công thức: ai = Sz sin

 Nh ng với răng xoắn chiều dày cắt ai bị thay đổi từ đầu đến cuối răng phụ thuộc vào góc Và góc thay đổi trong phạm vi từ

D

x

sin 2 sin =

∫

i d

i c

d Sz

D

i

θ θ

θ

θ

ω sin .

sin 2

Hinh 7.13 Sơ đồ tính diện tích khi phay bằng dao phay trụ rang xoắn

Sz D

θ

θ

sin

i c

Sz D

1

cos cos

sin 2

.

θ

θ ω

ϕ

sin

B

 F = B Sz



 Công thức cũng chứng tỏ diện tích cắt khi cắt bằng dao phay mặt đầu là một l ợng thay đổi phụ thuộc góc tiếp xúc tức thời của từng răng tham gia cắt

 Vì vậy ng ời ta nghiên cứu một quá trình phay sao cho tổng diện tích cắt không thay đổi đó là phay cân bằng.

 7.4.1 Xét diện tích cắt của dao phay trụ răng nghiêng:

 F =

 Ta hãy tìm điều kiện để có phay cân bằng.

 - Rõ ràng muốn có phay cân bằng thì đại l ợng F phải không đổi Khai triển ta có:



 = (cos + (cos + + (cos )

 Với dao phay trụ răng xoắn ta luôn có:

 cos = cosϕ và cos = cos 0 0 = 1

 Đó là hai đại l ợng không đổi Vậy nếu có các giá trị sau bằng nhau từng đôi một thì ta có diện tích cắt tổng không thay đổi:

i d

i c

Sz D

1

cos cos

sin

2

.

θ

θ ω

i c

……

 ……

2

1 coscosθc = θd

3

2 cos cos θc = θd

n d

n

θ cos

Có nghĩa là trên hinh khai triển điểm cuối của rang thứ nhất và

điểm đầu của rang thứ hai, điểm cuối của rang thứ hai và điểm đầu của rang thứ ba nằm trên cùng đ ờng sinh của mặt trụ dao phay Nói cách khác lúc đó: Dao phay trụ rang nghiêng có b ớc chiều trục bằng chiều rộng phay: B = Ttr

Lúc đó diện tích cắt không đổi của dao phay trụ rang xoắn là:

F = (cos00 – cos ) =

ω

sin2

.S Z

D

ω

sin 2

Điều kiện để có phay cân bằng ở dao phay trụ răng xoắn là

B = K Ttr

Dễ dàng thấy rằng dao phay trụ răng thẳng và dao phay mặt

đầu không tìm đ ợc điều kiện để có phay cân bằng

ω

π .cos

D

S Z t

 7.5 Phay thuận, phay nghịch

 7.5.1.Phay thuận

 a, Định nghĩa:

 - Phay thuận là tr ờng hợp phay khi điểm thấp nhất của dao

 quay cùng chiều với chiều chuyển động của bàn máy mang chi

 tiết gia công.

 b, Ưu điểm của phay thuận:

 - Chiều dày cắt thay đổi từ a max đến a min nên ở thời điểm l ỡi

 dao bắt đầu tiếp xúc với chi tiết gia công không xảy ra sự tr ợt

 dao đỡ mòn và tuổi bền có thể tăng.

 - Có thành phần lực cắt Pđ đè chi tiết xuống làm tăng khả năng

 kẹp chặt chi tiết, giảm đ ợc lực kẹp, giảm kích th ớc đồ gá do

 đó giảm rung động khi phay.

 c, Nh ợc điểm của phay thuận:

 - Vì ở thời điểm bắt đầu cắt có a = a max nên xảy ra sự va đập

đột ngột răng dao dễ mẻ, rung động tăng

 - Thành phần lực nằm ngang Png đẩy chi tiết theo ph ơng chạy dao nên sự tiếp xúc giữa bề mặt ren của vít me truyền lực và

đai ốc mang bàn máy có kẹp chặt chi tiết gia công không liên tục làm bàn máy chuyển động giật cục sinh ra rung động.

Hình 7.14a Phay thuận b Phay nghịch

7.5.2.Phay nghịch

a, Định nghĩa:

- Phay nghịch là tr ờng hợp phay khi mà điểm thấp nhất của dao quay ng ợc chiều với chiều chuyển động của bàn máy mang chi tiết gia công

b, Ưu điểm của phay nghịch:

- Chiều dày cắt thay đổi từ a min đến amax nên lực cắt tăng dần từ

P = 0 đến P = Pmax nên tránh đ ợc rung động và va đập

- Thành phần lực nằm ngang có xu h ớng làm tăng sự ăn khớp giữa

bề mặt ren của vít me truyền lực và đai ốc nên tránh đ ợc độ dơ và rung động

c, Nh ợc điểm của phay nghịch:

- Do ban đầu a = 0 nên xảy ra sự tr ợt giữa l ỡi dao và bề mặt gia công Dao chóng mòn và làm xấu bề mặt gia công

- Lực Pđ có xu h ớng nâng chi tiết lên nên làm tăng lực kẹp, dễ

gây rung động và làm đồ gá kẹp lớn hơn

7.5.3 Phạm vi sử dụng:

Do các đặc điểm trên để phát huy u điểm hạn chế nh ợc

điểm mà phay thuận th ờng đ ợc dùng gia công tinh, phay nghịch dùng khi gia công thô

7.6 Lực cắt, sự mài mòn và tuổi bền khi phay

 7.6.1 Các thành phần của lực cắt:

 a, Khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng ta có:

 hay

 Trong đó:

Pz là lực vòng hay là lực tiếp tuyến Đó là lực cắt chính để –

tạo phoi Khi thiết kế hay kiểm tra ta tính toán động lực học máy theo Pz

Pt là lực h ớng kính hay h ớng tâm, tác dụng vuông góc với –

ph ơng trục chính của máy phay, có xu h ớng làm võng trục gá

dao và gây áp lực trên ổtrục chính Khi tính toán trục gá dao hay tính ổ trục chính phải dùng tới lực này.

) 8 , 0 6

, 0

, 0

, 0 ( −

, 0

, 0 ( −

Hinh 7.15 Lùc t¸c dông trªn dao phay trô rang xo¾n

 Ngoài các thành phần lực trên còn có thành phần lực tác dụng dọc trục Po và dọc theo l ỡi cắt Ps

 Nếu gọi Q là lực tổng hợp tác dụng lên dao phay rang xoắn thi

Q có thể đ ợc biểu diễn nh sau:

 Giữa Po, Ps, Pz có quan hệ nh sau:

 Chú ý: Dùng dao răng xoắn phải tính đến lực Po Th ờng

ng ời ta mong muốn Po h ớng vào ổ trục của máy khi đó điều kiện làm việc của ổ sẽ tốt hơn Nếu dao có góc ω quá lớn ng ời

ta dùng hai dao có ph ơng răng trái chiều nhau để khử lực Po tác dụng vào ổ.

 c, Khi phay bằng dao phay mặt đầu:

 Vị trí t ơng đối giữa dao và chi tiết có ảnh h ởng đén tỉ lệ giữa các lực thành phần Mối quan hệ của chúng có thể biểu diễn bằng các công thức kinh nghiệm sau đây:

 Khi phay đối xứng:

u y

z

x p

n D

Z B

S t

C P

p p

p p

p

.

.

.

.

ω

=

7.6.3 Tuổi bền và tốc độ phay:

Tuỳ theo điều kiện cắt mà dao phay có thể mòn mặt tr ớc hoặc mặt sau nh ng nói chung mòn mặt sau là cơ ban và ng ời ta lấy độ mòn mặt sau làm tiêu chuẩn(ký hiệu hs) Có thể lấy độ mòn mặt sau theo bang 7.1

a, Tuổi bền của dao phay thay đổi trong một phạm vi rộng và

phụ thuộc nhiều yếu tố nh : tốc độ cắt, kiểu dao, đ ờng kính dao

và gia công thô hay tinh Giữa tốc độ cắt và tuổi bền có quan hệ sau

v =

Dao thép gió: m = 0,15 – 0,33

Dao hợp kim cứng: m = 0,2 – 0,6

m T A

 b, Tốc độ cắt đ ợc tính bằng công thức sau:

 v = ( mét / phút)

 Trong đó:

 Cv là hằng số đối với từng nhóm vật liệu gia công.

 D là đ ờng kính của dao phay.

 Kv là hệ số kể đến ảnh h ởng của các điều kiện gia công.

 7.6.3 Mô men xoắn, công suất khi phay:

u Yv

Z

x m

q V

Z B

S t

T

D C

v v

.

.

.

1000

2

.D

P z

102

60

.V

P z

 - B ớc 1: Chọn dao phay Căn cứ vào chi tiết gia công, vật liệu gia công và yêu cầu công nghệ mà chọn loại dao, chọn thông số hình học phần cắt và kết cấu dao phay.

 - B ớc 2: Xác định chiều sâu lớp cắt t Nếu độ cứng vững của hệ thống công nghệ cho phép cố gắng chọn số lần gia công ít nhất.

 - B ớc 3: Xác định l ợng chạy dao

 - B ớc 4: Chọn tuổi bền của dao

 - B ớc 5: Tính tốc độ cắt và số vòng quay của dao.

 - B ớc 6: Tính lực vòng, lực chạy dao, mô-men xoắn và công suất cắt

 - B ớc 7: Tính thời gian máy