phương pháp phay và dao phay

3.3.1 Đặc điểm lớp cắt khi phay : Trước đây trong chương 1 của phần I, ta đã đề cập đến một số điểm đặc biệtcủa phay so với tiện như trong trường hợp phay ta có đến 2 chiều chạy dao vòng

Chương 3

PHƯƠNG PHÁP PHAY VÀ DAO PHAY

3.1 ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐỘNG HỌC

Phay là phương pháp gia công kim loại có năng suất cao, đượcsủ dụng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển từ nửa sauthếï kỷ 19

Trong quá trình phay, chi tiết và dụng cụ có các chuyểnđộng sau:

- Chuyển động chính : thường là chuyển động quay tròn củadụng cụ để cắt ra phoi, tuy nhiên cũng có trường hợp chuyểnđộng chính được thực hiện bởi chi tiết gia công

- Chuyển động chạy dao : đây là chuyển động thêm vàochuyển dộng chính để đảm bảo sự liên tục của quá trình cắthay nói khác hơn đây là chuyển động nhằm đưa vùng gia công lan

ra toàn bề mặt gia công Chuyển động này có thể liên tục haygián đoạn và thường là chuyển động tịnh tiến hoặc quay tròncủa chi tiết

- Chuyển động theo phương chiều sâu cắt t : để chuyển qualượt cắt kế tiếp

Hình 3.1 cho chúng ta một số trường hợp phay cơ bản và các

chuyển động cần thiết

Hình 3.1 Một số trường hợp phay căn bản

a) Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt trụ, b) Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu, c) Phay rãnh bằng dao phay đĩa 2 mặt, d)

Phay rãnh bằng dao phay đĩa 3 mặt, e) Phay rãnh bằng dao phay

cắt đứt, f) Phay rãnh bằng dao phay ngón

3.2 KHẢ NĂNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG

Trong máy phay có thể phay được các mặt phẳng, các gờlồi, các rãnh, các mặt định hình phức tạp, cắt đứt, gia công mặttròn xoay, trục then hoa, cắt ren, gia công bánh răng Do dao phaycó nhiều lưỡi cắt cùng làm việc, đồng thời tốc độ phay cũng caohơn nên phương pháp phay hầu như thay thế cho bào và phần lớnxọc trong sản xuất hàng loạt và hàng khối Phay là một trongnhững phương pháp gia công đạt năng suất cao nhất nhưng phaykhông cho độ chính xác và độ bóng cao lắm, như độ chính xáckhông cao hơn cấp 8÷7 và Ra = 3,2 ÷ 0,2

3.3 ĐẶC ĐIỂM LỚP CẮT KHI PHAY VÀ VẤN ĐỀ PHAY CÂN BẰNG

3.3.1 Đặc điểm lớp cắt khi phay : Trước đây trong

chương 1 của phần I, ta đã đề cập đến một số điểm đặc biệtcủa phay so với tiện như trong trường hợp phay ta có đến 2 chiều

chạy dao vòng sv ta còn có lượng chạy dao răng sz Trong phần này

ta sẽ khảo sát các đặc điểm của lớp cắt khi phay so với tiện

1 Chiều rộng phay B.

Hình 3.2 Các trường hợp phay chủ yếu và các yếu tố cắt của

chúng

a) Dao phay trụ răng xoắn b) Dao phay mặt đầu c) Dao phay đĩa d) Dao phay đĩa để cắt đứt e) Dao phay ngón g) Dao phay góc

h) Dao phay định hình

Chiều rộng phay B là kích thước lớp kim loại được cắt đotheo phương chiều trục của dao phay ( hình 3.2) Khi cắt bằng daophay hình trụ thì chiều rộng phay bằng chiều rông chi tiết; khiphay rãnh bằng dao phay đĩa thì chiều rộng phay bằng chiều dàydao phay (hay chiều rộng rãnh); khi phay bằng dao phay ngón thìchiều rộng phay bằng chiều sâu rãnh; khi phay mặt phẳng bằng

2 Góc tiếp xúc Ψ.

tiết (hình 3.3)

Hình 3.3 Góc tiếp xúc khi phay

a) Phay bằng dao phay trụ b) Phay đối xứng bằng dao phay mặt

đầu c) Phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu.

Khi phay bằng dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa vàdao phay định hình, góc tiếp xúc được tính theo công thức :

cos12

(3.2)

c)

Khi phay đối xứng bằng dao phay mặt đầu (hình 10.3 b) thìgóc tiếp xúc được tính theo công thức sau :

D

t2arcsin2

πψ

(3.4)

3 Chiều dày cắt a khi phay:

Chiều dày cắt a khi phay là khoảng cách giữa hai vị trí kếtiếp của quỹ đạo chuyển động của một điểm trên lưỡi cắt ứng

được tạo thành bởi các lưỡi cắt của hai răng kế cận của daophay đo theo phương pháp tuyến với quỹ đạo cắt) Một cách gần

đúng, ta có thể xem quỹ đạo chuyển động tương đối của lưỡicắt là đường tròn, nên a được đo theo phương hướng kính của dao

Trong quá trình phay, chiều dày cắt sẽ thay đổi Ta kháo sátdưới đây sự thay đổi của a khi phay bằng dao phay trụ và daophay mặt đầu, các trường hợp khác có thể suy ra từ hai trườnghợp này

a) Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng :

(hình 3.4), chiều dày cắt tại M được ký hiệu là aM, có chiều dàibằng đoạn MC; gần đung ta có thể xem cung MN là thẳng, khi đótam giác CMN sẽ vuông và ta có :

aM = sz.sin θ

(3.5)

Hình 3.4 Chiều dày cắt khi phay bằng dao phaytrụ

Nếu chiều quay của dao phay như hình, khi một răng dao mớivào tiếp xúc với chi tiết thì θ = 0 ( tương ứng aM = 0), sau đó θ tăngdần và đạt đến θmax = Ψ khi răng dao thoát ra khỏi chi tiết (lúc ấy

aM = amax = sz.sinΨ) Vì chiều dày cắt thay đổi từ 0 đến amax ( hoặc

tích cắt và lực cắt cũng bị thay đổi do đó ta cần phải xác định

atb = z , [mm]

(3.6)

b) Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay trụ răng xoắn :

Cũng giống như đối với dao phay trụ răng thẳng, ở dao phaytrụ răng xoắn thì chiều dày cắt tại điểm M trên lưởi cắt cũng

(10.5) Tuy nhiên trong trường hợp này, ta thấy rằng tại thời điểmkhảo sát thì giá trị của chiều dày cắt dọc theo răng dao cũng khácnhau vì góc θ thay đổi từ θđ ở đầu bên này của dao phay đến θc ởđầu bên kia của dao phay (hình 3.5)

Hình 3.5 Các thông số lớp cắt khi phay bằng dao phay trụ răng

xoắn

Theo hình 10.5 ta thấy đối với răng 1 thì chiều dày cắt a sẽ

z.sins

z.sins

c = θ ở c1

c) Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay mằt đầu :

Hình 3.6 cho ta các yếu tố của lớp cắt khi phay bằng daophay mặt đầu Khi bàn máy di chuyển một lượng chạy dao răng

vậy chiều dày cắt aM tại một điểm M sẽ thay đổi tuỳ theo vị trícủa M (nghĩa là phụ thuộc vào góc θ ).

Hình 3.6 Các thông số lớp cắt khi phay bằng dao phaymặt đầu

Ta có : aM =n.sinϕ

Một cách gần đúng ta có thể xem tam giác CMN vuông tại M,

do đó : n = sz cosθ Thay vào trên ta sẽ được:

aM= sz.sinϕ.cosθ

(3.7)

Nếu dao phay quay như hình vẽ, mỗi răng dao lần lượt vàotham gia cắt ở tiết diện B-B ứng với θ = Ψ/2, rồi theo chuyểnđộng của lưởi cắt, góc θ giảm dần đến 0 ở tiết diện A-A, sau đólại tăng dần đến θ =Ψ/2 ở tiết diện C-C khi răng dao ra khỏi vùngtiếp xúc với chi tiết Tương ứng, theo công thức (3.7) ta thấy rằngchiều dày cắt aM sẽ thay đổi liên tục từ giá trị cực tiểu amin=

sz.sinϕ.cos (Ψ/2) tại tiết diện B-B tăng lên đến amax= sz.sinϕ tại tiếtdiện A-A, sau đó lại giảm xuống đến amin= sz.sinϕ.cos (Ψ/2) tại tiếtdiện C-C Ta có thể xem như chiều dày cắt trung bình sẽ là giá trị

aM tại vị trí θ = Ψ/4 :

atb= sz.sinϕ.cos (Ψ/4)(3.8)

4 Chiều rộng cắt b khi phay:

Chiều rộng cắt khi phay cũng tương tự như tiện, đó chínhlà chiều dài lưỡi cắt tham gia cắt Ta sẽ lần lượt xem xét chiều

rộng cắt b trong các trường hợp dao phay trụ răng thẳng, daophay trụ răng xoắn và dao phay mặt đầu.

a) Chiều rộng cắt khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng:

Trong trường hợp này, chiều rộng cắt b bằng chiều rộngphay B : b = B

b) Chiều rộng cắt khi phay bằng dao phay trụ răng xoắn:

Trên hình 3.5, ta khai triển mặt trụ dao phay và trải nó ra trênmặt phẳng của hình chiếu bằng Trên hình chiếu bằng này, ta sẽthấy được hình ảnh của các đường tiếp xúc của các lưỡi cắtvới bề mặt đang gia công tại thời điểm khảo sát Toàn bộ răng

thứ hai có chiều dài là c2đ2 thì chỉ mới có một đoạn lươiî cắt cóchiều dài b2 = c0đ2 đi vào vùng tiếp xúc, do đó chiều rộng cắt củarăng này là b2

Như vậy theo chiều quay của dao ở trên hình thì mỗi răng cắtkhi đi vào vùng tiếp xúc thì không vào một lúc theo cả chiều dàilưỡi cắt như dao phay trụ răng thẳng mà sẽ vào dần từng điểm

dài lưỡi cắt tham gia cắt), sau đó sẽ giảm dần khi răng bắt đầu rakhỏi vùng tiếp xúc và sẽ giảm đến 0 khi răng thoát hẳn ra khỏivùng tiếp xúc Trị số của chiều rộng cắt b1 và b2 được tính nhưsau:

ω

θθ

2.sin

)D.(

b

1 1

D

b2 =

(3.10)

Trong đó: D - đường kính dao phay, mm

1 đ

θ - góc tiếp xúc tức thời ứng với đầu răng thứ nhất,radian

1 c

θ - góc tiếp xúc tức thời ứng với cuối răng thứnhất, radian

2 đ

radian

c) Chiều rộng cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu:

Khi cắt, một răng của dao phay mặt đầu cũng giống nhưmột dao tiện Như vậy, chiều rộng cắt b của dao phay mặt đầu

Trường hợp λ≠ 0

λ

ϕ.cossin

B

b=

(3.12)

5 Diện tích cắt khi phay.

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

Tùy theo kết cấu của dao và kích thước của lớp cắt mà sốrăng đồng thời tham gia cắt n trong cung tiếp xúc Ψ sẽ là :

z - số răng của dao phay

Một răng thứ i nào đó của dao phay trong vùng tiếp xúc (ứngvới góc tiếp xúc tức thời của răng này là θi) sẽ cắt một diện tíchlớp cắt là : fi = ai.bi

Thay bi = B và ai = sz.sinθi (theo 3.5) :

z.B sins

(3.15)

Như vậy ta thấy diện tích cắt là một đại lượng thay đổi.Để tính lực cắt trung bình, ta phải xác định diện tích cắt trungbình :

.ZB.t.s

tb = π [mm2]

(3.16)

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

cắt (hình 3.7) Tương ứng với góc tiếp xúc θi, chiều dày cắt tạiđó sẽ bằng ai = sz.sinθi Với răng xoắn, tại thời điểm đang xét

vào góc θi (thay đổi từ i

có chiều dày cắt là ai và chiều rộng cắt là dbi được tính nhưsau: dfi = ai.dbi

Như vậy diện tích cắt do toàn chiều dài răng cắt ra là:

i

c i

dsin2sin

θθω

Sau khi lấy tích phân, ta có:

[ i]

đ

θθ

diện tích cắt tổng cọng là:

i c z

n 1

i i

coscos

2sin

Dsf

đ

θθ

ω

(3.17)

Hình 3.7 Diện tích cắt khi phay bằng dao phay trụ răng xoắnGiống như ở dao phay trụ răng thẳng, ta cũng có diện tíchcắt trung bình là:

D

.ZB.t.s

tb = π [mm2]

c) Diện tích cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu :

Diện tích cắt do một răng cắt là fi = ai.bi Thay ai và bi ở biểuthức (3.7) và (3.11) vào, ta sẽ được: fi

i z

n 1 i

i B.s cosf

(3.19)

Như vậy diện tích cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu sẽthay đổi phụ thuộc vào góc tiếp xúc tức thời của từng răng khitham gia cắt Diện tích cắt trung bình trong trường hợp này cũngcó thể tính theo phương pháp như đã trình bày đối với dao phaytrụ răng thẳng :

.ZB.t.s

Trong phần này ta sẽ đi tìm xem có trường hợp nào mà quátrình phay có diện tích cắt tổng không đổi, mà người ta gọi làphay cân bằng Để nghiên cứu vấn đề này, nguời ta đưa ra khái

và diện tích trung bình Ftb

(3.20)

Khi µ = 1 ta sẽ có được quá trình phay với diện tích cắt

trường hợp phay thường gặp

2 Hệ số không cân bằng µ trong các trường hợp phay.

a) Khi phay bằng dao phay trụ răng xoắn:

Biểu thức (3.17) cho ta diện tích cắt tổng lớn nhất đo dọc

mặt phẳng hướng kính Fomax = Fmax.cosω Với Ftb cho ở (3.16) và chú

i i

c

tr cos - cosB.t

TD/2

đ

θθ

µ

(3.21)

Khai triển các số hạng tổng trong ngoặc từ i = 1 đến i = nvà chú ý rằng cosΨ=1 -2t/D, ta nhận thấy rằng µ sẽ có giá trịbằng 1 khi dao phay có B = Ttr ( hình 3.8)

răng xoắn Tổng quát ta có thể mở rộng cho trường hợp chiều

1, 2, 3, [ Nguyên lý cắt]

b) Khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng :

Dao phay trụ răng thẳng là một trường hợp đặc biệt của

này, giá trị của µ sẽ lớn nhất, có nghĩa là dao phay trụ răng thẳng

sẽ phay với điều kiện cân bằng kém nhất so với các dao phay trụrăng xoắn

Hình 3.8 Vị trí của răng dao phay trụ răng xoắn khi phay cân bằng

c) Khi phay bằng dao phay mặt đầu:

Dùng các biểu thức (3.19) và (3.16) ta sẽ có hệ số không cân

F

F

θ

πµ

(3.22)

thể :

- Tăng số răng dao Z lên.

- Tăng tỷ số t/D, có nghĩa là tăng chiều sâu phay t lên (t = D làtố nhất)

* Phay thuận và phay nghịch.

Khi phay ta có thể sử dụng kiểu phay thuận hoặc phaynghịch (hình 3.9)

- Phay thuận :

Trong trường hợp này dao phay quay cùng chiều với phươngchuyển động của bàn máy (hình 3.9 a)

Hình 10.9 Phay thuận và phay nghịch

a) Phay thuận b) Phay nghịch c) Sự tiếp xúc giữa bề mặt ren vít me và đai ốc khi phay thuận d) Sự tiếp xúc giữa bề mặt ren vít me và đai ốc khi phay nghịch

Phay thuận có các ưu điểm như sau :

- Chiều dày cắt a thay đổi từ amax đến amin, do đó khi răngdao vào cắt không bị trượt cho nên dao đỡ bị mòn

tiết xuống bàn máy làm tăng khả năng kẹp chặt, do đó làm giảmrung động khi phay

Những nhược điểm của phay thuận là :

xãy ra va đập đột ngột gây ra rung động và dễ mẻ răng

- Thành phần lực cắt nằm ngang Pn đẩy chi tiết theophương chuyển động chạy dao s nên sự tiếp xúc giữa bề mặt

ren của vít me truyền lực và đai ốc có thể không liên tục (hình3.9 c) làm cho bàn máy chuyển động bị giật cục, dẫn đến rungđộng.

Do các ưu nhược điểm trên nên người ta thường dùng kiểuphay này khi gia công tinh, lúc này các nhược điểm bị giảm thiểuvà không có trượt nên độ bóng bề mặt cao

- Phay nghịch.

Trong trường hợp này dao phay quay ngược chiều với phươngchuyển động của bàn máy (hình 3.9 b)

Phay nghịch có các ưu điểm như sau :

- Chiều dày cắt a tăng từ amin = 0 đến amax, do đó khi răng daovào cắt không bị va đập và rung động

cường sự tiếp xúc giữa bề mặt ren của vít me truyền lực vàđai ốc nên không gây đọ rơ (hình 3.9 d) do đó tránh được rungđộng

Những nhược điểm của phay nghịch là :

- Khi răng bắt đầu vào cắt, chiều dày cắt là a = amin = 0 nênxãy ra sự trượt giữa lưỡi cắt và bề mặt gia công làm cho lưỡicắt chóng mòn và độ bóng bề mặt gia công giảm

- Thành phần lực cắt Pđ theo phương thẳng đứng có xuhướng nâng chi tiết lên do đó dễ gây rung động khi phay Mặc khác

cơ cấu kẹp chi tiết phải khắc phục thêm lực này nên kết cấuphải lớn hơn

Do các ưu nhược điểm trên nên người ta thường dùng kiểuphay này khi gia công thô

3.3.3 Tính toán một số yếu tố khi phay.

1 Tính lực cắt khi phay.

a Phân tích lực cắt khi phay:

Quy luật phân bố lực cắt khi phay khá phức tạp vì diệntích cắt thay đổi làm cho lực cắt thay đổi Độ lớn của lực cắtkhi phay phụ thuộc vào số răng đồng thời tham gia cắt và diệntích cắt tức thời Sau đây ta khảo sát cho các trường hợp phaythông thường

* Khi phay bằìng dao phay trụ răng thẳng:

Trên hình 3.9 ta thấy rằng, lực cắt tổng hợp R tác dụng lênmột răng dao phay có thể được phân tích thành những lực thànhphần như sau :

R=Pr +Pz hoặc R=Pđ +Pn

(3.23)

z

cắt chính để tạo phoi Người ta dùng lực này để tính toán độnglực học của máy

phay Khi tính toán sức bền trục gá dao và tính toán ổ trục chínhthì ta dùng lực này

đ

P - Thành phần lực thẳng đứng Tác dụng đè chi tiếtxuống bàn máy hoặc nâng chi tiết lên tùy theo phay thuận hayphay nghịch Khi tính toán lực kẹp đồ gá hoặc kiểm tra áp lựctrên bề mặt sống trượt thì ta dùng lực này Ta có :

Pđ = Pz sinθi ± Pr cosθi ( + : phay thuận, - : phaynghịch) (3.24)

n

P - Thành phần lực nằm ngang, có phương trùng vớiphương chạy dao nên còn gọi là lực chạy dao Khi tính toán lựckẹp đồ gá hoặc cơ cấu chạy dao thì ta dùng lực này Ta có :

Pn = Pz cosθi ± Pr sinθi ( - : phay thuận, + : phaynghịch) (3.25)

Mối quan hệ giữa các thành phần lực trên, trong điều kiệntiêu chuẩn, có thể lấy gần đúng như sau :

Khi phay thuận

* Khi phay bằìng dao phay trụ răng xoắn :

Ngoài các thành phần lực giống như ở dao phay trụ răng

theo lưỡi cắt Ps (hình 3.10)

Hình 3.10 Lực tác dụng lên răng dao phay trụ răng xoắn

Nếu gọi Q là tổng lực tác dụng lên răng xoắn thì nó cóthể được biểu diễn như sau:

Q=R+P0 hoặc Q=PN +Ps

(3.28)

với trục dao (hình 3.10b) Thành phần này giống y như tổng lực

R ở dao phay trụ răng thẳng

N

P - thành phần lực tác dụng vuông góc với lưỡi cắt

s

sát của phoi trên mặt trước của dao theo phương xoắn vít

được các thành phần khác

* Khi phay bằìng dao phay mặt đầu :

Trường hợp này, vị trí tương đối giữa dao và chi tiết có ảnhhưởng đến tỷ lệ giữa các lực thành phần Ta cũng có thêí phântích lực cắt tổng thành các thành phần Pz, Pr, Pn, Pđ, Po như hình3.11 Ta có các quan hệ gần đúng giữa các lực thành phần vàlực vòng Pz như sau :

Hình 3.11 Lực cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu

a) Phay đối xứng b) Phay không đối xứng

- Khi phay đối xứng (hình 10.11a) :