Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ chính xác gia công khi gia công vật liệu nhôm trên máy phay CNC

+Mục đích Mục đích nghiên cứu của đề tài là tìm ra mối quan hệ của chất lượng bề mặt chi tiết máy Ra với các thông số chế độ cắt V, S, t khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC.. -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – Năm 2011

chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong luận văn

Tác giả

Trần Viết Hồi

giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, Viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Xin cảm ơn Ban lãnh đạo Viện đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản luận văn này

Tác giả cũng chân thành cảm ơn Bộ môn Gia công cơ khí - TT Việt – Nhật trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả thực hiện đề tài

Do năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Trần Viết Hồi

Tác giả luận văn: Trần Viết Hồi Khóa: 2009 -2011

Người hướng dẫn: TS Phạm Văn Bổng

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

+Mục đích

Mục đích nghiên cứu của đề tài là tìm ra mối quan hệ của chất lượng bề mặt chi tiết máy (Ra) với các thông số chế độ cắt (V, S, t) khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC

+ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC

- Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC

- Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy gồm nhiều yếu tố như thông số chế độ cắt, thông số hình học của dao

c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

+ Nội dung gồm bốn chương cơ bản

Chương 1: Tổng quan về gia công trên máy phay CNC, các ứng dụng và công

nghệ CAD/CAM–CNC được sử dụng trên máy phay khi gia công chi tiết Tổng quan

về hệ thống máy phay CNC được sử dụng

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa chế độ cắt và chất

lượng bề mặt Bao gồm các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt Mối quan hệ

kim nhôm Từ đó nghiên cứu xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố của chế độ cắt khi phay hợp kim nhôm Đưa ra các vấn đề khi xử lý khi thực nghiệm và xử lý số liệu

Chương 4: Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt khi

gia công các vật liệu hợp kim nhôm trên máy phay CNC, thí nghiệm, các kết quả thực nghiệm, xử lý kết quả để tìm ra quan hệ toán học giữa độ nhám bề mặt (Ra) và các thông số công nghệ (V, S, t) Dựa vào quan hệ đó đưa ra các kết luận về việc điều chỉnh máy sao cho gia công đạt năng suất cao mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt

+ Đóng góp mới của tác giả

Từ cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn đưa ra được hàm toán học

mô tả mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và thông số chế độ cắt để làm cơ sở cho các nhà công nghệ chọn chế độ cắt sau đó điều khiển nó theo yêu cầu của mình và cũng làm cơ sở cho các quá trình nghiên cứu khác cũng như hỗ trợ thiết kế các phần mềm trợ giúp cho điều khiển chế độ cắt

d) Phương pháp nghiên cứu

Thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công trên máy phay CNC và các hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt gọt

- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm khi phay hợp kim nhôm

- Phân tích và đánh giá kết quả

e) Kết luận

Với ba yếu tố của chế độ cắt là (V, S, t), đưa ra các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC.Từ cơ sở tổng hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, đề tài đã xác lập được mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ là:

Ra = e6,1749.V-0,8758.S0,7151.t0,3025, kết quả này phù hợp với cơ sở nghiên cứu lý thuyết về mối quan hệ giữa chế độ cắt với độ nhám bề mặt

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

PHẦN MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC 11

1.1 Ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM – CNC trong máy phay hiện nay 11

1.1.1 Tổng quan về công nghệ CAD/CAM - CNC 11

1.1.2 Máy phay CNC và ứng dụng CAD/CAM trong gia công phay CNC 16

1.1.2.1 Tổng quan về máy phay CNC 16

1.1.2.2 Ứng dụng CAD/CAM trong gia công phay CNC 21

1.1.3 Các nghiên cứu về mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt khi gia công trên máy phay CNC 21

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT VỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT 23

2.1 Quá trình cắt và tạo phoi khi phay 23

2.1.1 Biến dạng dẻo và việc tạo phoi 23

2.1.2 Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt và ảnh hưởng của nó đến chất lượng bề mặt 26

2.1.2.1 Hiện tượng phoi bám 26

2.1.2.2 Hiện tượng nhiệt phát sinh trong quá trình cắt 29

2.1.2.3 Rung động xảy ra trong quá trình cắt 34

2.1.2.4 Hiện tượng biến cứng bề mặt 36

2.2 Mối quan hệ giữa chế độ cắt và chất lượng bề mặt khi gia công phay 37

2.2.1 Khái niệm về chất lượng bề mặt 37

2.2.2 Sự ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt 40

2.2.2.1 Sự ảnh hưởng của vận tốc cắt V đến độ nhám bề mặt 41

2.2.2.2 Sự ảnh hưởng của lượng tiến dao 41

2.2.2.3 Sự ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt 43

CHƯƠNG III: QUÁ TRÌNH CẮT KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU CÓ TÍNH DẺO CAO

VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT

VỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG NHÔM TRÊN MÁY PHAY CNC 45

3.1 Đặc điểm khi gia công vật liệu có tính dẻo cao 45

3.1.1 Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm 45

3.1.2 Tính gia công của hợp kim nhôm 47

3.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC 48

3.2.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt với độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim nhôm 48

3.2.1.1 Mối quan hệ giữa vận tốc cắt với độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim nhôm 48

3.2.1.2 Mối quan hệ giữa lượng chạy dao với độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim nhôm 50

3.2.1.3 Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt với độ nhám bề mặt khi gia công hợp kim nhôm 52

3.2.2 Mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa chế độ cắt với độ nhám bề mặt 54

3.3 Những vấn đề cần lưu ý khi thực nghiệm và xử lý số liệu 55

3.3.1 Sai số và khử sai số trong quá trình thực nghiệm 55

3.3.1.1 Các loại sai số 55

3.3.1.2 Phương pháp khử sai số thô 56

3.3.2 Kiểm tra tính đồng nhất của các thí nghiệm 58

3.3.3 Chọn công thức thực nghiệm và phép làm trơn 59

3.3.3.1 Chọn bậc tối thiểu của đa thức 59

3.3.3.2 Chọn giữa các công thức khác nhau 61

3.3.3.3 Làm trơn các số liệu thực nghiệm 61

3.4 Xác định tham số công thức thực nghiệm bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất 62

3.4.1 Xác định tham số của hàm tuyến tính 63

3.4.2 Kiểm định các tham số aj và khoảng xác định sai lệch của chúng 68

CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT VỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG HỢP KIM NHÔM TRÊN MÁY PHAY CNC 70

4.1 Hệ thống thí nghiệm 70

4.1.1 Sơ đồ thí nghiệm 70

4.1.2 Dụng cụ cắt và phôi dùng trong thực nghiệm 71

4.1.3 Máy gia công và thiết bị đo dùng trong thực nghiệm 72

4.2 Xác định chế độ cắt dùng trong thực nghiệm 74

4.3 Kết quả đo thực nghiệm và xử lý kết quả 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÓM TẮT LUẬN VĂN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Cấp nhẵn bóng theo TCVN2511 – 95 39

Bảng 3.1: Thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhôm 46

Bảng 3.2: Kết quả đo độ nhám bề mặt khi gia cắt với vận tốc cắt thay đổi 48

Bảng 3.3: Kết quả đo độ nhám bề mặt khi gia cắt với lượng tiến dao thay đổi 51

Bảng 3.4 : Kết quả đo độ nhám bề mặt khi gia cắt với chiều sâu cắt thay đổi 53

Bảng 3.5: Các thí nghiệm để kiểm tra tính đồng nhất giữa các thí nghiệm 58

Bảng 4.1: Các giá trị thực nghiệm .75

Bảng 4.2: Quy hoạch thực nghiệm khi đo độ nhám 75

Bảng 4.3: Kết quả đo độ nhám 76

Bảng 4.4: Số liệu xử lý kết quả đo 76

Bảng 4.5: Giá trị hồi quy thực nghiệm của phương trình hàm 4.21 78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quá trình chế tạo sản phẩm 12

Hình 1.2: Quy trình xử lý thông tin trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC 14

Hình 1.3: Sơ đồ CIM 15

Hình 1.4: Mức tiếp cận CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm 16

Hình 1.5: Nguyên lý kỹ thuật CAD/ CAM-CNC 16

Hình 1.6: Ký hiệu các trục toạ độ trên máy .17

Hình 1.7: Các trục trên máy phay CNC 19

Hình 1.8: Cách chọn gốc toạ độ trên máy phay CNC 20

Hình 1.9: Mối quan hệ giữa CAD/CAM và CNC 21

Hình 2.1: Sơ đồ hóa miền tạo phoi 23

Hình 2.2: Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau 23

Hình 2.3: Miền tạo phoi 24

Hình 2.4: Các dạng phoi cắt 26

Hình 2.5: Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lẹo dao 27

Hình 2.6: Quan hệ giữa chiều dày cắt với tố độ hình thành và chiều cao lẹo dao 28

Hình 2.7: Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt 30

Hình 2.8: Ảnh hưởng của v đến nhiệt cắt 32

Hình 2.9: Ảnh hưởng của v đến nhiệt cắt với các loại vật liệu cắt khác nhau 32

Hình 2.10: ảnh hưởng của chiều dày cắt a đến nhiệt cắt 33

Hình 2.11: Ảnh hưởng của b đến nhiệt cắt 33

Hình 2.12: Các yếu tố hình học của lớp bề mặt 38

Hình 2.13: Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt 38

Hình 2.14: Mối quan hệ giữa vận tốc 41

Hình 2.15: Ảnh hưởng của lượng tiến dao (S) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz) 43

Hình 2.16: Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt t và độ nhám bề mặt Ra 44

Hình 3.1: Mối quan hệ giữa vận tốc cắt V và độ nhám Ra 50

Hình 3.2: Mối quan hệ giữa lượng tiến dao S và độ nhám Ra 52

Hình 3.3: Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt t và độ nhám Ra 54

Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm 70

Hình 4.2: Sơ đồ đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt 70

Hình 4.3: Dụng cụ cắt dùng trong thực nghiệm 71

Hình 4.4: Thực nghiệm với phôi là hợp kim nhôm 6061 72

Hình 4.5: Máy phay CNC Takisawa MAC-V40 73

Hình 4.6: Máy đo độ nhám SJ-400 74

Hình 4.7: Đồ thị quan hệ độ nhám Ra với V,S khi gia công hợp kim nhôm 80

Hình 4.8: Đồ thị quan hệ độ nhám Ra với V,t khi gia công hợp kim nhôm 81

Hình 4.9: Đồ thị quan hệ độ nhám Ra với S,t khi gia công hợp kim nhôm 82

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Hiện nay ở Việt Nam xu hướng sử dụng máy gia công cắt gọt hiện đại điều khiển theo chương trình số (NC, CNC) như máy tiện, máy phay 3 trục, 4 trục, 5 trục, máy phay tốc độ cao, trung tâm gia công tiện – phay để nâng cao chất lượng

và giảm giá thành sản phẩm đã khá phổ biến Điều đó cho thấy là chất lượng sản phẩm đã được nâng cao, áp lực công việc của người thợ giảm Tuy nhiên giá thành chưa giảm, chi phí gia công còn cao so với máy vạn năng vì hiệu quả khai thác sử dụng chưa hợp lý Một trong những nguyên nhân của sự tăng chi phí đó chính là các nhà công nghệ chưa chọn được chế độ cắt phù hợp cho nhóm máy này khi gia công các loại vật liệu khác nhau Như vậy việc nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt phù hợp cho máy phay CNC khi gia công hợp kim nhôm là một yêu cầu cấp thiết đặt ra cho các nhà nghiên cứu

Như ta đã biết, khả năng làm việc của chi tiết máy quyết định bởi chất lượng của sản phẩm, trong đó có các thông số về chất lượng bề mặt làm việc Vì vậy muốn đạt được khả năng làm việc của chi tiết máy hiệu quả nhất thì phải đảm bảo yêu cầu

về chất lượng bề mặt Để giải quyết vấn đề đó thì ta phải tìm được mối quan hệ giữa các thông số chất lượng bề mặt như Ra, Rz, với các điều kiện gia công như chế độ cắt (V, S, t), thông số hình học của dao Từ mối quan hệ đó thì người làm công nghệ có thể điều khiển các thông số công nghệ của máy và dao để đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công, tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm đồng thời tiến tới tối ưu hóa quá trình cắt gọt

Với nhóm loại vật liệu có tính dẻo cao thì điều kiện gia công cũng như các thông số của chế độ cắt ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng bề mặt chi tiết Xuất phát

từ những đặc điểm và tình hình trên tác giả chọn đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ chính xác gia công khi gia công vật liệu nhôm trên máy phay CNC”

2 Lịch sử nghiên cứu

Đặc tính của vật liệu là cơ sở điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công, xác lập mối quan hệ giữa

độ nhám bề mặt (đầu ra) với thông số công nghệ (đầu vào) sau đó dựa vào mối quan

hệ đó để lựa chọn chế độ cắt phù hợp cho máy và dao trong quá trình gia công đạt được yêu cầu chất lượng bề mặt

Từ yêu cầu cấp thiết của thực tế sản xuất, nên những đề tài nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác hiệu quả máy CNC là khá lớn trong các đề tài nghiên cứu

khoa học, luận án tiến sỹ, luận văn thạc sỹ, có thể kể đến: Khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của các thông số công nghệ V, t, S đến lực cắt trên máy tiện CNC, luận văn cao học, ĐHBKHN (2005), Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 105 (12/2005) Trần Xuân Việt, Phạm Văn Bổng; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Nguyễn Trọng Bình, Hoàng Việt Hồng; Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công vật liệu Nhôm và hợp kim Nhôm trên máy phay CNC,Tạp chí

Cơ khí Việt Nam, Số 61 (6/2002), Nguyễn Quốc Tuấn; Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, luận văn cao học, ĐHBKHN (2002), Nguyễn Ngọc Ánh; Nghiên cứu các ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 60 (5/2002), Phan Công Trình; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Hà Quang Sáng; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt

Nam, Số 61 (6/2002)

Những đề tài trên có nhiều đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, càng chứng tỏ việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy là rất quan trọng và cần thiết

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là:

- Chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC

- Ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC

- Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy gồm nhiều yếu tố như thông số chế độ cắt, thông số hình học của dao Mục đích nghiên cứu của đề tài là tìm ra mối quan hệ của chất lượng bề mặt chi tiết máy (Ra) với các thông số chế độ cắt (V, S, t) khi phay hợp kim nhôm trên máy phay CNC

- Máy thực nghiệm: máy phay CNC Takisawa MAC –V40

- Vật liệu gia công: hợp kim nhôm 6061

- Dụng cụ cắt: dao phay mặt đầu 60 ; Z = 3 răng

- Đối tượng gia công: phay mặt phẳng

- Thiết bị đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt Mitutoyo SJ 400 – Nhật Bản

4.Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

+ Những luận điểm cơ bản

Tổng quan gia công trên máy phay CNC, ứng dụng của kỹ thuật CAD/CAM –CNC trong hệ thống máy phay CNC Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt Từ đặc điểm của vật liệu có tính dẻo cao đưa

ra mô hình thực nghiệm về mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC

- Khái quát về chất lượng bề mặt gia công và các yếu tố ảnh hưởng đến các thông

số đặc trưng cho chất lượng bề mặt gia công;

- Nghiên cứu tổng quan về gia công trên máy phay CNC

- Đánh giá chất lượng bề mặt khi gia công trên máy phay CNC

- Thực nghiệm với điều kiện thực tế, đo và kiểm tra kết quả thực nghiệm Xử lý

số liệu, xây dựng mô hình thực nghiệm về quan hệ giữa độ nhám bề mặt gia công với chế độ cắt khi khi gia công hợp kim nhôm trên máy phay CNC

+ Những đóng góp mới của tác giả

Các kết quả nghiên cứu trên của tác giả sẽ đóng góp thêm vào ngân hàng tra cứu cho các nhà công nghệ trong quá trình khai thác và sử dụng máy phay CNC với hiệu quả cao nhất để gia công chi tiết đảm bảo yêu cầu của chất lượng bề mặt Làm

cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình cắt

Từ cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn đưa ra được hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và thông số chế độ cắt để làm cơ sở cho các nhà công nghệ chọn chế độ cắt sau đó điều khiển nó theo yêu cầu của mình

và cũng làm cơ sở cho các quá trình nghiên cứu khác cũng như hỗ trợ thiết kế các phần mềm trợ giúp cho điều khiển chế độ cắt

Lựa chọn chế độ công nghệ khi lập trình một chương trình NC cho máy và khai thác triệt để máy hơn góp phần vào việc nâng cao năng suất và hạ giá thành sản phẩm

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công trên máy phay CNC và các hiện tượng xảy

ra trong quá trình cắt gọt

- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm khi phay hợp kim nhôm

- Phân tích và đánh giá kết quả

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC 1.1 Ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM – CNC trong máy phay hiện nay

1.1.1 Tổng quan về công nghệ CAD/CAM - CNC

Vào giữa thế kỷ XX, nền kinh tế thế giới đã có những bước tiến lớn mang tính toàn cầu Các hệ thống máy móc, thiết bị cũ không thể đáp ứng được nhu cầu của con người trong việc phát triển kinh tế cũng như chinh phục tự nhiên Ý tưởng chế tạo ra một máy gia công tự động thực hiện quá trình cắt gọt đã được manh nha

từ đầu thế kỷ trở nên cần thiết hơn bao giờ hết Đặc biệt sau đại chiến thế giới lần thứ hai (1945), để giành được ưu thế mọi mặt thì việc thiết kế, chế tạo ra các loại máy móc, thiết bị, vũ khí mới đã trở nên cấp bách hơn bao giờ hết Chính vì lẽ đó, việc nghiên cứu, chế tạo máy gia công tự động đã có kết quả bước đầu ngay từ những năm 50 Nhưng phải đến những năm 70, với sự bùng nổ của khoa học về công nghệ thông tin đã thúc đẩy và đưa kỹ thuật CAD/CAM – CNC lên một tầm cao mới mà đỉnh cao là năm 1979, khớp nối liên hoàn kỹ thuật CAD/CAM – CNC

đã được khai thông Quá trình từ khi có ý tưởng về sản phẩm hay vật mẫu đến khi chế tạo ra sản phẩm được rút ngắn, sản phẩm đa dạng và phong phú hơn bao giờ hết, đáp ứng nền kinh tế thị trường

Quá trình chế tạo sản phẩm nói chung có thể khái quát qua sơ đồ (hình 1.1).Quá trình thiết kế sản phẩm trước đây thường rất dài vì thiếu công cụ thiết kế Quá trình chế tạo sản phẩm gặp nhiều khó khăn vì thiết bị không đáp ứng được, có những công đoạn phải làm thủ công nên mất thời gian Quá trình Marketting thường diễn ra chậm Như vậy quá trình chế tạo sản phẩm từ khi có ý tưởng đến khi đưa được sản phẩm đến với tay người tiêu dùng là cả một chặng đường dài Chính vì lẽ

đó nó không thể đáp ứng được với cơ chế thị trường

Quá trình chế tạo sản phẩm hiện nay có bước đột phá Ý tưởng về sản phẩm được thiết kế ngay trên máy tính bằng phần mềm Autocad hay các phần mềm thiết

kế khác như SolidWork, Inventor và phần mềm hỗ trợ kiểm tra phù hợp Việc thiết kế sản phẩm còn được hỗ trợ bởi thiết bị dò hình số hoá hay thiết bị tạo mẫu

Hiệu chỉnh thiết kế

hoặc đổi mới thiết kế

Kiểm tra đánh giá chất

lượng Chế tạo thử

Hoạch định quy

trình công nghệ

Chuẩn bị máy móc thiết bị, dụng cụ, vật tư

Chế tạo chi tiết

Đóng gói

dán nhãn

Kiểm tra chất lượng sản phẩm

Thu thập thông tin về sản phẩm

QUÁ TRÌNH THIẾT

KẾ

QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO

QUÁ TRÌNH MARKETTING

Đường đi của quá trình Đường phản hồi

Hình 1.1: Quá trình chế tạo sản phẩm

nhanh Sau khi có thiết kế, chuỗi liên hoàn CAD/CAM đã cho phép chuyển đổi bản

vẽ sang chương trình gia công tự động Quá trình chế tạo sản phẩm (CAM) đã được

tự động hoá cao, gia công được các bề mặt phức tạp nhờ kỹ thuật CNC, hệ thống thông tin cập nhật nhanh Chính vì lẽ đó quá trình chế tạo sản phẩm trở nên ngắn hơn bao giờ hết

Để việc ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM-CNC đạt được kết quả tốt thì việc hoạch định quy trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính CAPP (Computer Aided Process Planning) đóng một vai trò quan trọng bởi nó là cầu nối giữa thiết kế

và chế tạo, là một liên kết trong các hoạt động tổ hợp của hệ thống chế tạo Hơn nữa việc hoạch định đó còn có lợi ích sau:

- Năng suất tăng, tổ hợp nhanh các năng lực sản xuất

- Chi phí sản xuất giảm vì giảm bớt được công chuẩn bị sản xuất Sử dụng

có hiệu quả hơn về máy, về nguyên liệu

- Tiết kiệm được thời gian, tăng cường tính linh hoạt do khả năng đáp ứng nhanh các đòi hỏi thay thế về cấu hình sản phẩm

- Thể hiện tính nhất quán

Ngày nay, giải pháp lập trình CAD/CAM-CNC đã được nghiên cứu, tạo lập

và ứng dụng trong đào tạo, sản xuất, với ý tưởng ẩn sâu là sử dụng duy nhất một hệ

cơ sở dữ liệu kỹ thuật (a single technical database) cho cả hai khâu thiết kế và chế

tạo chi tiết trong quá trình nghiên cứu, thiết kế phát triển sản phẩm cũng như trong quá trình sản xuất chế tạo sản phẩm

Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC có thể khái quát qua sơ đồ (hình 1.2)

Xu hướng hiện nay, việc hoạch định quy trình công nghệ thường được định hướng linh hoạt hoá Trong ngành Cơ khí đã có sự dịch chuyển từ tự động hoá các doanh nghiệp có quy mô sản xuất lớn sang quy mô vừa và nhỏ, điều đó đã cho phép

dễ dàng thực hiện linh hoạt hoá Với định hướng này, dây chuyền gia công chi tiết

cơ khí có thể thực hiện theo một trong các phương án sau:

+ Phương án 1: Dùng máy vạn năng kết hợp gá lắp, điều chỉnh theo nhóm chi tiết

+ Phương án 2: Dùng máy chuyên dùng đơn giản có khả năng điều chỉnh theo nhóm chi tiết gia công

Gia công chi tiết trên

máy CNC

Xuất băng lỗ NC (ghi

chương trình gia công

Tạo lập bản vẽ chi tiết

Hình 1.2 : Quy trình xử lý thông tin trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC

+ Phương án 3: Dùng các máy hay trung tâm gia công CNC theo giải pháp tập trung nguyên công, tự động hoá việc điều khiển theo hướng linh hoạt hoá và tự động hoá

Quá trình từ thiết kế đến chế tạo ra sản phẩm có sự đóng góp đắc lực của kỹ thuật CAD/CAM-CNC nhưng vai trò của con người trong đó có ý nghĩa quyết định Chương trình gia công NC, CNC dù có được xây dựng từ chuỗi liên thông thì cũng không thể đáp ứng với mọi loại máy, mọi loại vật liệu, mọi phương thức gia công

mà thể hiện rõ nhất là việc sử dụng chế độ cắt trên máy

 Các thuật ngữ

- CIM (Computer Intergrated Manufacturing - Công nghệ chế tạo tích hợp với máy tính) CIM nghĩa là sự kết hợp tất cả các bộ phận phòng ban từ phong Kế hoạch, phòng thiết kế, phòng Marketting đến phòng kiểm tra chất lƣợng sản phẩm thông qua

 Các mức tiếp cận của kỹ thuật CAD/CAM-CNC:

CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm đƣợc kết nối theo sơ đồ sau (hình 1.4):

P Kế hoạch P.Thiết kế P.Marketting P KCS

CIM Hình 1.3: Sơ đồ CIM

- CAD – Computer Aided Design

- CAE – Computer Aided Enginering

- CAM – Computer Aided Manufactering  Bộ phận sản xuất

- DNC – Direct Numerical Control

- PPC – Production Planning Control

Bộ phận thiết kế

Bộ phận quản lý đặt hàng

 Nguyên lý CAD/CAM – CNC

Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật CAD/CAM (hình 1.5):

1.1.2 Máy phay CNC và ứng dụng CAD/CAM trong gia công phay CNC

1.1.2.1 Tổng quan về máy phay CNC

a Hệ toạ độ và các trục chuyển động trên máy phay CNC

Để xác định các tương quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong phạm vi chi tiết gia công một cách rõ ràng người ta đưa vào các hệ toạ độ và các điểm gốc chuẩn Để thống nhất hoá mối tương quan cho các máy công cụ điều

Giao diện dữ liệu (tiêu chuẩn/chuyên dụng)

Giao diện dữ liệu (tiêu chuẩn/chuyên dụng)

Hình 1.5: Nguyên lý kỹ thuật CAD/ CAM-CNC

(AUTO-DESK, SOFT-DESK…)

Máy công cụ CNC Robot (IR)

Trung tâm tế bào gia công CNC

FMS DESK…)

+ Cimatron + Catia + DENFORD + Master CAM + Heidenhain + Boxfort MTS, v.v…Hình 1.4: Mức tiếp cận CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm

khiển số khác nhau, người ta tiêu chuẩn hoá các trục của hệ toạ độ và chiều chuyển động của chúng

Ví dụ theo tiêu chuẩn ISO 841 hay tiêu chuẩn DIN 66127thì hệ thống trục toạ

độ cho các máy điều khiển số được xác định như sau:

Các chiều chuyển động của máy công cụ điều khiển số được xác định bởi hệ toạ độ 3 trục vuông góc với nhau theo qui tắc bàn tay phải (hình 1.6) Hệ toạ độ này luôn luôn được gán lên chi tiết gia công

Khi lập trình, chi tiết luôn được coi là đứng yên Các chuyển động luôn thuộc

về dao cụ Trong thực tế trên từng loại máy cụ thể thì việc qui định này không hoàn toàn đúng bởi vì có những máy trong quá trình gia công thì chi tiết có thể tham gia thực hiện một vài chuyển động, điều này dễ làm cho người vận hành nhìn nhận không chính xác về hướng chuyển động của các trục

Các trục quay tương ứng với trục X,Y, Z được kí hiệu là A, B, C Chiều quay dương (positive) tương ứng với chiều quay thuận chiều kim đồng hồ (CW=Counter clockwise) khi ta nhìn theo chiều dương của trục tịnh tiến

Để bố trí thứ tự của các trục toạ độ phù hợp với các chiều chuyển động của máy, tiêu chuẩn ISO 841 hay DIN 66127 qui định:

Nếu trục chính của máy xoay nghiêng được và chỉ có một vị trí xoay nghiêng song song với một trục toạ độ nào đó thì chính trục toạ độ là trục Z

Nếu trục chính xoay nghiêng được song song với nhiều trục toạ độ khác nhau thì trục Z chính là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy

Nếu trục chính xoay nghiêng được theo một hướng nghiêng với chính nó thì trục này ký hiệu là W

Nếu máy có nhiều trục chính công tác thì ta sẽ chọn một trong số trục đó làm trục chính theo cách ưu tiên trục nào có đường tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết Còn nếu máy không có trục chính công tác thì trục Z cũng là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết

Thứ nhất: Trên các máy có dao quay tròn

+ Nếu trục Z đã nằm ngang thì chiều dương của trục X hướng về bên phải khi ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết

+ Nếu trục Z thẳng đứng và máy có một thân máy thì chiều dương của trục

X hướng về bên phải khi ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết

Nếu máy có hai thân máy thì chiều dương của trục X hướng về bên phải nếu

ta nhìn từ trục chính hướng vào thân máy bên phải

Thứ hai: Trên các máy có chi tiết quay tròn

+ Trên các máy có chi tiết gia công quay tròn thì trục X nằm theo phương hướng kính của chi tiết và chiều dương của trục đi từ trục tâm chi tiết đến bàn kẹp dao chính

Thứ ba: Trên các máy không có trục chính công tác thì trục X được qui định

là trục song song theo hướng gia công chính

Trục toạ độ Y

Vị trí của trục toạ độ Y sẽ đƣợc xác định sau khi đã xác định đƣợc hai trục toạ

độ Z và X

Nếu ngoài các trục X,Y,Z mà máy còn có các trục điều khiển độc lập khác thì

ta cũng ký hiệu các trục nhƣ sau: Trục U(là trục // với trục X), V(là trục // với trục Y) và trục W(là trục // với trục Z)

Các trục song song khác so với trục toạ độ chính sẽ nhận các ký hiệu tiếp theo

là P, Q, R (Hình 1.7 mô tả các trục chính, các trục phụ và các trục quay trên máy phay CNC)

Hình 1.7: Các trục trên máy phay CNC

b Các điểm 0 và điểm chuẩn

- M (Machine reference zero): Điểm gốc của máy Máy sẽ đo lường từ vị trí này đến các vị trí khác khi làm việc Các điểm M được nhà sản xuất quy định trước

- R (Machine reference point): Điểm chuẩn của máy Để giám sát và điều chỉnh kịp thời quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần thiết phải bố trí một hệ thống để xác định quãng đường thực tế (tọa độ thực) so với tọa độ lập trình Khi bắt đầu đóng mạch điều khiển tất cả các trục phải chạy về một điểm chuẩn mà giá trị tọa độ của nó so với điểm gốc M phải luôn luôn không đổi và do các nhà chế tạo máy quy định Điểm đó gọi là điểm chuẩn của máy R

- Điểm gốc phôi W (Workpiece zero point – Hình 1.8): Dùng làm gốc của hệ tọa độ trong quá trình gia công Điểm gốc W của phôi có thể được chọn tùy ý bởi người lập trình nhưng nên chọn ở điểm nào trên phôi cho thuận tiện khi xác định các thông số giữa nó với điểm M

- Điểm gốc chương trình P (Program Point): Dùng làm gốc của hệ tọa độ trong quá trình soạn thỏa chương trình Trong thực tế gia công nên chọn điểm gốc chương trình P trùng với điểm gốc của phôi W

- Chuẩn dao T (Tool Offset): Chuẩn dao Để xác định vị trí dao cắt sau khi lắp

dao vào ổ tích dao

1.1.2.2 Ứng dụng CAD/CAM trong gia công phay CNC

kể là : Nguyễn Trọng Bình, Hoàng Việt Hồng, Ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 60 (5/2002) ; Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi

phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 61 (6/2002) ; Nguyễn Ngọc Ánh, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2002) ; Nguyễn Đình Thân, Nghiên cứu độ mòn dao tiện khi gia công vật liệu cơ tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2003) ; Vũ Đình Thơm, Tính toán bù bán kính mũi dao khi lập chương trình NC cho máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 76 (7/2003) ; Lê Văn Toản, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài phẳng tới độ nhám bề mặt trên một số vật liệu

có tính dẻo cao, Luận văn cao học, ĐHBKHN (2005) ; Trần Xuân Việt, Phạm Văn Bổng, Khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của các thông số công nghệ V, T, S đến lực cắt trên máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 105 (12/2005)…

Trong nhóm đề tài trên có hai đề tài trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, điều đó chứng tỏ việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy là rất quan trọng Tuy nhiên các nghiên cứu đó đều chỉ tập trung nghiên cứu khi gia công vật liệu là thép Việc nghiên cứu khi gia công vật liệu có tính dẻo cao như nhôm và hợp kim nhôm chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT

VỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT 2.1 Quá trình cắt và tạo phoi khi phay

2.1.1 Biến dạng dẻo và việc tạo phoi

Khi cắt, để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công đồng thời thắng được lực ma sát giữa dao và vật gia công

Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 2.1), dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công sẽ gây nên

Hình 2.2: Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau Hình 2.1: Sơ đồ hóa miền tạo phoi

biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao.Việc nghiên cứu kim tương khu vực tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi biến thành phoi, lớp cắt kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng Khu vực này có thể gọi là miền tạo phoi (hình 2.3) và miền này di chuyển theo dao trong quá trình cắt

Trong miền này như đã sơ đồ hóa ở hình 2.1 - có những mặt trượt OA, OB,

OC, OD,OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (những mặt trên đó ứng suất tiếp có giá trị cực đại) Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA- dọc theo đường đó phát sinh những biến dạng déo đầu tiên, và đường OE- đường kết thúc biến dạng dẻo và đường AE- đường nối lền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi

Ngoài ra lớp kim loại bị cắt sau

khi biến dạng trong miền tạo phoi, khi

chuyển thành phoi còn chịu thêm các

biến dạng phụ do ma sát với mặt trước

của dao

Trong những lớp kim loại ở phía

dưới của phoi, kề với mặt trước của dao

chịu biến dạng phụ nhiều hơn so với các

lớp phía trên Mức độ biến dạng của

chúng lớn đến mức các tinh thể trong

chúng bị kéo dài ra theo một hướng nhất

định.Như vậy phoi cắt ra biến dạng

không đều:

Kf = Kbd + Kms

Kbd - mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Kms - mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao

Hình 2.3: Miền tạo phoi

Tốc độ cắt ảnh hưởng lớn nhất đến miền tạo phoi Tăng tốc độ cắt miền tạo phoi thu hẹp lại, có thể giải thích hiện tượng sau:

Khi tăng tốc độ cắt, vật liệu gia công sẽ truyền qua miền tạo phoi với tốc độ nhanh hơn Khi di chuyển với tốc độ cắt lớn như vậy vật liệu gia công sẽ đi qua đường OA nhanh đến mức mà sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra theo đường OA

mà chậm đi 1 thời gian theo đường OA’ Tương tự nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’ chậm hơn so với đường OE

Khi tốc độ cắt rất lớn, miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng của nó chỉ còn vào khoảng vài phần trăm milimet Trong quá trình đó sự biến dạng của vật liệu gia công gần như lân cận mặt OF Để cho đơn giản ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt

và làm với phương chuyển động một góc bằng góc 

Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước còn góc  là góc trượt Góc này đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng dẻo trong miền tạo phoi

Các dạng phoi:

Khi gia công vật liệu dẻo và giòn với chế độ cắt (V, S, t) và thông số hình học của dao (, ) khác nhau có thể cho các dạng phoi khác nhau (hình 2.4)

- Phoi xếp: Được tạo thành khi gia công các loại vật liệu có độ cứng trung

bình với tốc độ cắt thấp, chiều dày cắt lớn và góc cắt của dao có giá trị tương đối lớn Phoi kéo dài thành từng đoạn ngắn, mặt đối diện với mặt trước của dao rất bóng, mặt trên gợn nẻ không bằng phẳng Hay nhìn chung phoi có dạng từng đốt xếp lại

- Phoi dây: Thu được khi gia công vật liệu dẻo với tốc độ cắt cao, chiều dày

cắt bé, phoi kéo dài liên tục mặt trước của dao rất bóng còn mặt sau hơi gợn nẻ Như vậy khi cắt ra phoi dây năng lượng tiêu hao ít, lực cắt ít thay đổi nên độ nhẵn

bề mặt khá cao

Khi cắt ra phoi xếp và phoi dây, phoi tiếp xúc với mặt trước của dao một đoạn l trước khi rời khỏi dao Sau đoạn tiếp xúc đó tách ra khỏi đoạn trước và cuộn lại theo hình xoắn ốc Sở dĩ như vậy là vì phoi ở phần tiếp xúc ở phần tiếp xúc với

dao dày thêm, để làm cho các yếu tố của phoi có dạng hình thang Nếu giữ nguyên các điều kiện cắt khác và tăng tốc độ cắt thì sự biến dạng của phoi giảm đi, khiến cho bán kính cuộn phoi tăng lên.[13]

- Phoi vụn: Được tạo thành khi gia công vật liệu giòn như gang, đồng thau …

Khi cắt ra phoi vụn nhiệt tập trung nhiều ở mũi dao, lực cắt thay đổi liên tục gây ra rung động lên độ nhẵn bề mặt không cao Điều này được giải thích như sau:

Khi gia công lớp kim loại bị cắt không qua giai đoạn biến dạng dẻo Do tác dụng của dao, trong vật liệu phát sinh ra biến dạng đàn hồi và ứng suất nén theo phương chuyển động của dao, mặt khác theo phương thẳng góc với chuyển động xuất hiện ứng suất kéo Các yếu tố của phoi bị tách ra chủ yếu do tác dụng của ứng suất kéo, bởi vì vật liệu giòn là loại vật liệu có ứng suất kéo kém hơn ứng suất nén rất nhiều

2.1.2 Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt và ảnh hưởng của nó đến chất lượng bề mặt

2.1.2.1 Hiện tượng phoi bám

a Hiện tượng

Trong quá trình cắt ra phoi dây, trên mặt trước của dao kề ngay lưỡi cắt thường xuất hiện những lớp kim loại có cấu trúc kim tương khác hẳn với vật liệu gia công và vật liệu làm dao Nếu lớp kim loại này bám chắc vào lưỡi cắt của dụng

cụ và tham gia vào quá trình cắt như một mũi dao Hiện tượng này được gọi là lẹo

dao (phoi bám) [13]

b Cơ chế hình thành lẹo dao

a Phoi vụn b Phoi xếp c Phoi dây

Hình 2.4: Các dạng phoi cắt

Cơ chế của quá trình hình thành lẹo dao có thể giải thích như sau: do chịu áp lực lơn và nhiệt độ cao, mặt khác vì mặt trước của dao không tuyệt đối nhẵn nên các lớp kim loại bị cắt nằm kề sát với mặt trước của dao có tốc độ di chuyển chậm và trong những điều kiện nhất định, khi lực cản thắng được lực ma sát trong nội bộ kim loại thì lớp kim loại sẽ nằm lại ở mặt trước tạo thành lẹo dao Vì biến dạng rất lớn nên độ cứng của lẹo dao lớn hơn độ cứng của vật liệu gia công từ 2,5-3,5 lần và

do đó có thể thay thế vật liệu làm dao đề thực hiện quá trình cắt

c Các loại lẹo dao

Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng tỏ rằng có 2 loại lẹo dao:

- Lẹo dao ổn định: nằm dọc theo lưỡi cắt trong suất quá trình cắt Loại này gồm một

số lớp gần như song song với mặt trước và thường hình thành khi cắt thép với chiều

dày cắt nhỏ

- Lẹo dao chu kỳ: Loại này gồm 2 phần: phần nền nằm sát với mặt trước của dao, về

cơ bản gọi là lẹo dao loại 1 Trên nền đó hình thành phần thứ 2, phần này sinh ra lớn lên và mất đi nhiều lần trong một đơn vị thời gian Sự xuất hiện và mất đi của lẹo dao làm cho các góc cắt của dao trong quá trình cắt luôn luôn biến đổi

d Các nhân tố ảnh hưởng đến lẹo dao

+ Tốc độ cắt:

Khi tốc độ cắt thấp, áp lực không lớn lắm, nhiệt phát sinh không cao nên khó hình thành phoi bám Khi cắt với tốc độ cắt cao thì khả năng hình thành và chiều cao của phoi bám giảm Các nghiên cứu chỉ ra rằng khi tăng vận tốc cắt, nhiệt độ và

Hình 2.5: Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lẹo dao

ứng suát tăng sẽ làm xuất hiện sự chảy dẻo cục bộ ở vùng tiếp xúc nên sẽ xuất hiện

sự dính kết Nhưng khi cắt với vận tốc vượt quá vận tốc tới hạn thì ứng suát nén gần bằng giới hạn chảy của phoi, lớp oxi hóa sẽ bị mài mòn, mặt của dụng cụ trở nên nhẵn bóng và khó hình thành phoi bám Thực nghiệm gia công cắt thép EN 19 thì thấy vận tốc tới hạn là 100 m/phút Cũng bằng kết quả thực nghiệm của các tác giả cũng chỉ ra rằng khi cắt với tốc độ cắt từ 80 m/phút trở lên thì hầu như không xuất hiện phoi bám vì khi đó lực cản do ma sát giữa dao và lớp kim loại không thắng được lưc liên kết giữa lớp kim loại đó và phoi Chỉ khi cắt với vận tốc cắt trung bình (khoảng 20 đến 40m/phút) thì dễ hình thành phoi bám nhất

Hình 2.5 mô tả sự ảnh hưởng của tốc độ cắt đến sự hình thành phoi bám

Ở khu vực 1 khi tốc độ cắt thấp, phoi cắt ra là phoi vụn không có hiện tượng lẹo dao

- Khu vực II khi tạo ra phoi dây lẹo dao bắt đầu xuất hiện Tăng tốc độ cắt thì chiều cao lẹo dao tăng Giới hạn giữa khu vực I và II là lẹo dao xảy ra cao nhất

- Khu vực III khi tiếp tục tăng tốc độ cắt thì lẹo dao giảm Giới hạn khu vực này ứng với thời điểm lẹo dao bắt đầu biến mất

- Khu vực IV khi tốc độ cắt tăng lên khá cao, không có hiện tượng lẹo dao

Hình 2.6: Quan hệ giữa chiều dày cắt với tố độ hình thành và chiều cao lẹo dao

+ Chiều dày cắt a

Chiều dày cắt a càng lớn thì tốc độ cắt hình thành lẹo dao càng thấp và chiều cao lẹo dao cao.(hình 2.6)

2.1.2.2 Hiện tượng nhiệt phát sinh trong quá trình cắt

a-Nguồn sinh nhiệt

Quá trình cắt là do công tiêu hao để:

- Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo lớp bị cắt và các lớp tiếp xúc giữa bề mặt đã gia công và bề mặt cắt với dao

- Để khắc phục ma sát trên mặt trước của dao với phoi và mặt sau của dao với phôi

Khi cắt kim loại có 3 vùng phát sinh nhiệt

- Khu vực 1: trên vị trí tiếp xúc giữa phoi và mặt trước của dao

- Khu vực 2: trên vị trí tiếp xúc giữa phôi và mặt sau của dao

- Khu vực 3: Trên miền tạo phoi

Nhiệt phát sinh từ 3 khu vực trên và được truyền vào phoi, phôi và dao, có thể xác định qua phương trình

Q = Qbd + Qmst + Qmss [13]

Trong đó:

Q: Nhiệt sinh ra khi cắt kim loại

Qbd: lượng nhiệt phát sinh tương đương với công làm biến dạng vật liệu trong vùng tạo phoi

Qmst: lượng nhiệt sinh ra tương đương với công ma sát của phoi với mặt trước

Qmss: lượng nhiệt sinh ra tương đương với công ma sát giữa mặt sau của dụng cụ cắt với bề mặt đã gia công của chi tiết

b Phân bố nhiệt cắt

Để điều khiển tác động của nhiệt cắt nhằm giảm tác động xấu Căn cứ vào quy luật truyền nhiệt có:

Q= Qf + Qct +Qd + Qmt [13]

Tổng nhiệt lượng phát sinh trong vùng cắt được truyền vào phoi, chi tiết, dao và môi trường (hình 2.7)

Qf –nhiệt lượng truyền vào phoi (khoảng 50 % - 80%)

Qct –nhiệt lượng truyền vào chi tiết (3% - 10%)

Qd – nhiệt lượng truyền vào dao (10 % - 40% )

Qmt – nhiệt lượng truyền vào môi trường (1% -5%)

Thực tế: nhiệt lượng do biến dạng ở vùng tạo phoi cơ bản là làm nóng phoi Phần nhỏ hơn truyền vào mặt trước của dao Mặt trước của dao bị nung nóng đến nhiệt độ cao còn do ma sát giữa nó với phoi Ma sát ở mặt sau của dao với bề mặt đã gia công sinh nhiệt Nhiệt lượng này truyền vào dao và chi tiết nhiều hay ít phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của chúng Nhiệt lượng truyền vào môi trường lớn làm giảm nhiệt

độ vùng cắt Do đó dùng dung dịch trơn nguội vừa làm giảm ma sát, giảm lượng nhiệt phát sinh và dẫn nhiệt ra khỏi vùng cắt làm giảm nhiệt độ vùng cắt

Nhiệt cắt được phân bố không đều trên dao, phoi và phôi Ở trên khu vực, nhiệt cắt cũng được phân bố không đều nhau, có tới 20 % -80% lượng nhiệt cắt tập

trung trên phoi Các nghiên cứu cũng cho thấy khi tăng V tỷ lệ này tăng theo

Ví dụ: Khi tiện phoi chiếm 20-80% nhiệt, 2-10 % dao, phôi từ 20-70% và môi

trường chiếm gần 1%

Hình 2.7: Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt

c Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhiệt

Trong các yếu tố cắt thì tốc độ cắt là nhân tố ảnh hưởng nhất tới nhiệt Khi tăng tốc độ cắt thì nhiệt lúc đầu tăng, sau khi đạt được độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại (hình 2.8; 2.9)

Khi tăng tốc độ cắt thì lực đơn vị giảm nhiệt lượng và nhiệt cắt ở vùng biến dạng bậc nhất Tuy vậy công ma sát trên mặt trước tăng lên, bởi vì vận tốc của phoi khi tăng tốc độ cắt nhanh hơn tốc độ cắt Tuy nhiên điều kiện dẫn nhiệt thực tế là không đổi Bởi vậy khi tăng tốc độ cắt thì nhiệt tăng trong khi đó nhiệt cắt tăng tỷ lệ nghịch với hệ số co rút phoi

Có thể biểu hiện sự phụ thuộc  = f(v) như sau

 = c1vxGiá trị số mũ x phụ thuộc vào vùng tốc độ cắt Tốc độ cắt càng cao thì x càng nhỏ Giá trị trung bình của x trong vùng vận tốc cắt v = 15÷45m/ph như sau:

Khi đạt được tốc độ cắt nhất định thì nhiệt cắt đạt giá trị cực đại, nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt thì nhiệt cắt không tăng nữa Nhiệt cắt trong vùng này bằng nhiệt nóng chảy của vật liệu gia công và dẫn đến hiện tượng khuếch tán lẫn nhau giữa hai loại vật liệu và dụng cụ của chi tiết

Từ độ lớn của số mũ (0<x<1) dẫn đến tăng nhiệt cắt chậm hơn so với tăng tốc

độ cắt Thực tế này liên quan đến ảnh hưởng của tốc độ cắt đến khối lượng nhiệt xuất hiện tổng thể và đến sự thu phát nhiệt của quá trình cắt

Ngoài ra tăng tốc độ cắt thì tăng sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp bề mặt trước và sau và khối lượng dụng cụ, điều đó có hậu quả là tăng phần Qn được dẫn đi bằng thân dao và nó không tham gia vào việc làm tăng khối lượng nhiệt của các bề mặt lưỡi

cắt và nhiệt cắt

c Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt

100 500 900 1300 1700

1 Thép austenit mangan 2 Thép cácbon 3 Gang 4 Nhôm

Khi tăng lượng chạy dao, áp lực lên của phoi lên dao tăng, công ma sát trên mặt trước tăng, nhiệt cắt ở vùng biến dạng bậc nhất tăng, hệ số co rút phoi giảm, tổng công biến dạng trong một đơn vị thể tích giảm, điều kiện truyền nhiệt tốt hơn

vì chiều dày phoi lớn nên diện tích tiếp xúc giữa dao và phoi được mở rộng (hình 2.10), nhiệt cắt tăng nhưng không tăng nhanh như tăng tốc độ cắt.

Khi tăng chiều sâu cắt, một mặt tải trọng trên một đơn vị chiều dài lưỡi cắt không đổi, mặt khác khi tăng t do góc  không đổi lên chiều dài phần làm việc của lưỡi cắt tuy có tăng nhưng điều kiện truyền nhiệt tốt hơn (hình 2.11) Kết quả nhiệt cắt ít thay đổi

Hình 2.11: Ảnh hưởng của b đến nhiệt cắt

v1 =50m/ph, v2 = 100m/ph, v3 = 200m/ph Hình 2.10: Ảnh hưởng của chiều dày cắt a đến nhiệt cắt

v1 =50m/ph, v2 = 100m/ph, v3 = 200m/ph

2.1.2.3 Rung động xảy ra trong quá trình cắt

a Khái niệm về rung động trong quá trình cắt

Điều kiện kiên quyết để đạt độ chính xác và độ bóng bề mặt gia công cao là

ổn định của chuyển động trong quá trình cắt Để đạt được điều kiện này thì hệ thống công nghệ (máy – dao - đồ gá) phải có độ chống rung tốt và không gây ra dao động (rung động) của chi tiết gia công và dụng cụ cắt Rung động có thể có tần số lớn hoặc nhở, xuất hiện đồng thời hoặc xuất hiện riêng biệt Về nguyên tắc, dao động của chi tiết có tần số nhỏ, còn dao động của dụng cụ có tần số lớn Chất lượng gia công giảm do dao động có thể đồng thời giảm tuổi bền của dụng cụ cắt

Trong quá trình gia công tồn tại hai loại dao động: dao động cưỡng bức và tự dao động

Rung động cưỡng bức

Rung động cưỡng bức xuất hiện do hai nguyên nhân sau đây:

- Cắt không liên tục (cắt gián doạn)

- Cắt các chi tiết máy, chi tiết gia công và dụng cụ cắt quay nhanh nhưng không được cân bằng tốt

- Sai số chế độ các bộ phận máy (bánh răng, hệ truyền đai, hệ thống thủy lực, v v )

- Lượng dư gia công và độ cứng của vật liệu không đều

- Rung động của các máy xung quanh

Khử rung động cưỡng bức có thể đạt được bằng cánh khử các nguyên nhân gây ra rung động

Tự rung động (hay là tự rung) là rung động sinh ra bởi quá trình cắt và nó được duy trì bởi lực cắt Khi ngừng cắt thì hiện tượng tự rung cũng kết thúc

Khi nghiên cứu rung động cần quan tâm đến những vấn đề sau:

- Hệ thống công nghệ có độ cứng vững nhất định

- Khi lực tác động vào hệ thống thay đổi thì gây rung động

- Thông số đặc trưng của rung động là: biên độ A và tần số f

- Hiện tượng cộng hưởng khi có rung động cần được lưu ý