Bài dịch kỹ thuật chế tạo 2 chương 21

Bài dịch và giải bài tập các chương 21 môn học kỹ thuật chế tạo 2 Manufacturing Engineering and Technology chuyên ngành kỹ thuật chế tạo.Chương này giới thiệu về cơ sở của quá trình gia công cắt gọt một cách tổng quát cho các chương tiếp theo. Do đó, mục tiêu của chương này là trình bày các khái niệm cơ bản có liên quan đến hoạt động cắt gọt.Chương này mở ra một cuộc thảo luận về cơ học của quá trình hình thành phoi trong cắt gọt và mô hình điển hình trong hoạt động cắt gọt trực giao; mô hình và độ mở rộng cắt nghiêng của nó cho phép tính toán lực và năng lượng trong quá trình cắt gọt.Nhiệt độ tăng lên ở phoi và dụng cụ cắt được thảo luận.Cơ chế mài mòn và hư hỏng của dụng cụ cắt, với sự mài mòn mặt sau của dụng cụ cắt được biểu thị bằng phương trình tuổi bền Taylor.Mài mòn Crater, mài mòn mũi dao và các dạng mài mòn khác được trình bày.Chương này kết thúc bằng việc thảo luận về độ hoàn thiện bề mặt, cũng như tính toàn vẹn của các bộ phận khi gia công bằng phương pháp cắt gọt, các yếu tố bao gồm khả năng gia công của các loại vật liệu kim loại và phi kim khác nhau.

có liên quan đến hoạt động cắt gọt.

 Chương này mở ra một cuộc thảo luận về cơ học của quá trình hình thành phoi trong cắt gọt và mô hình điển hình trong hoạt động cắt gọt trực giao; mô hình và độ mở rộng cắt nghiêng của nó cho phép tính toán lực và năng lượng trong quá trình cắt gọt

 Nhiệt độ tăng lên ở phoi và dụng cụ cắt được thảo luận

 Cơ chế mài mòn và hư hỏng của dụng cụ cắt, với sự mài mòn mặt sau của dụng cụ cắt được biểu thị bằng phương trình tuổi bền Taylor

 Mài mòn Crater, mài mòn mũi dao và các dạng mài mòn khác được trình bày

 Chương này kết thúc bằng việc thảo luận về độ hoàn thiện

bề mặt, cũng như tính toàn vẹn của các bộ phận khi gia công bằng phương pháp cắt gọt, các yếu tố bao gồm khả năng gia công của các loại vật liệu kim loại và phi kim khác nhau

 Tiện, trong đó phôi xoay và dao cắt loại bỏ lớp vật liệu khi dao cắt di chuyển về bên trái như Hình 21.1a

 Tiện cắt đứt, trong đó dụng cụ cắt di chuyển theo phương hướng kính, vào trong phôi và tách khối bên

 Phay phẳng, trong đó dụng cụ cắt xoay loại bỏ lớp vật liệu từ bề mặt ra khỏi phôi.

 Phay mặt đầu, trong đó dụng cụ cắt xoay di chuyển dọc theo một chiều sâu cắt nhất định của phôi và tạo ra hốc.Trong quá trình tiện, minh hoạ chi tiết trong Hình 21.2, dao cắt được đặt ở một chiều sâu cắt nhất định (mm) và di chuyển về phía bên trái với một vận tốc nhất định khi phôi xoay Lượng chạy dao là khoảng cách dao cắt di chuyển ngang mỗi vòng quay của phôi

(mm/rev) Chuyển động này của dao cắt tạo ra phoi di chuyển lên bề mặt của dao

Để phân tích chi tiết quá trình này, một mô hình hai chiều được trình bày trong Hình 21.3a Trong mô hình lí tưởng hoá này, dao cắt di chuyển sáng bên trái dọc theo phôi với một vận tốc không đổi, V, và chiều sâu cắt, to Phoi được tạo ra phía trên dao cắt bởi biến dạng dẻo và sự trượt vật liệu một cách liên tục dọc theo mặt phẳng trượt Hiện tượng này có thể được chứng minh bằng cách từ từ cạo bề mặt của một thanh bơ theo chiều dọc bằng một con dao sắc và quan sát sự hình thành của lớp bơ được cạo Sôcôla vụn dùng làm đồ trang trí trên bánh và bánh ngọt được sản xuất theo cách tương tự

Hình 21.1 Một vài ví dụ về hoạt động cắt gọt phổ biến

So sánh Hình 21.2 và 21.3, chú ý rằng lượng chạy dao trong phay tương đương với to, và chiều sâu cắt trong phay tương đương với chiều rộng cắt (kích thước vuông góc với trang sách) trong mô hình lí tưởng hoá Mối quan hệ này có thể nhận thấy bằng cách xoay Hình 21.3 một góc 90o theo chiều kim đồng hồ Sau phần giới thiệu ngắn gọn này, ta sẽ đi chi tiết hơn về quá trình cắt gọt ở phần sau

Hình 21.2 Minh hoạ quá trình tiện

Hình 21.3 Minh hoạ một quá trình cắt gọt hai chiều, còn gọi là quá trình cắt trực giao:

(a) Cắt trực giao với mặt phẳng trượt được xác định rõ, còn được biết đến như mô hìnhM.E Mechant Chú ý rằng độ bén dao, chiều sâu cắt và tốc độ cắt là các tham số độc lập (b) Cắt trực giao không có mặt phẳng trượt được xác định rõ

21.2 Cơ học của quá trình cắt gọt

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt gọt được trình bày trong Bảng 21.1 Để đánh giá nội dung của bảng, hãy nhận biết các tham số độc lập chính (major

independent variables) trong quá trình cắt gọt: (a) vật liệu dao và lớp phủ bề mặt; (b)

độ bén dụng cụ cắt, độ hoàn thiện bề mặt; (c) vật liệu phôi và điều kiện; (d) tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt; (e) dung dịch trơn nguội; (f) đặc tính của dụng cụ cắt;(g) đồ gá

Các tham số phụ thuộc (dependent variables) trong quá trình cắt gọt là những tham số bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của các tham số độc lập được liệt kê ở trên, bao gồm: (a) dạng phoi; (b) lực và năng lượng tiêu hao trong quá trình cắt; (c) nhiệt độ tăng lên trong phôi; (d) sự mòn dao và hư hỏng; (e) độ hoàn thiện bề mặt và độ toàn vẹn bề mặt của phôi

Khi quá trình gia công mang lại kết quả không mong muốn, quá trình xử lý sự cốđòi hỏi một cuộc điều tra có tính hệ thống Một câu hỏi được đặt ra là trong các tham

số độc lập, tham số nào nên được thay đổi trước, và thay đổi đến mức độ nào, nếu (a)

độ hoàn thiện bề mặt của phôi không thực hiện được, (b) dụng cụ cắt mòn quá nhanh

và trở nên cùn, (c) phôi rất nóng và (d) dụng cụ cắt bắt đầu rung và kêu

BẢNG 21.1

Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Quá Trình Cắt Gọt

Thông số Ảnh hưởng và mối liên hệ

Tốc độ cắt, chiều sâu

cắt, lượng chạy dao,

dung dịch trơn nguội

Lực, năng lượng, tăng nhiệt độ, tuổi thọ dao, loại phoi, độ hoàn thiện bề mặt và độ toàn vẹn

Góc dao Như trên; ảnh hưởng đến hướng đi của phoi; sự kháng mòn

dụng cụ và sự tạo phoiPhoi liên tục Độ hoàn thiện bề mặt tốt; lực cắt từ từ; không mong muốn,

đặc biệt là máy móc tự độngPhoi lẹo dao Độ hoàn thiện bề mặt và độ toàn vẹn thấp; nếu mỏng và ổn

định, có thể bảo vệ bề mặt daoPhoi không liên tục Sự loại bỏ phoi kì vọng; lực cắt dao động; có thể ảnh hưởng

đến độ hoàn thiện bề mặt và gây ra rung động và tiêng kêu

Sự tăng nhiệt độ Ảnh hưởng tuổi thọ dao, cụ thể là mòn Crater và độ chính xác

về kích thước của phôi; có thể gây ra hỏng nhiệt cho bề mặt phôi

Sự mòn dao Ảnh hưởng chất lượng bề mặt và độ toàn vẹn, chính xác về

kích thước, sự tăng nhiệt độ, lực và năng lượngKhả năng gia công Liên quan tới tuổi thọ dao, độ hoàn thiện bề mặt, lực và năng

lượng, loại phoi

Để hiểu được những hiện tượng này và trả lời câu hỏi đó, hãy nghiên cứu cơ học của quá trình tạo phoi – một môn học được nghiên cứu rộng rãi từ những năm 1940s Nhiều mô hình (với nhiều cập độ phức tạp) được đề xuất Cũng như các quá trình chế tạo khác được thực hiện (như đúc và gia công áp lực), các mô hình gia công không truyền thống cũng liên tục phát triển Các phương pháp được sử dụng bao gồm mô phỏng máy tính (computer simulation) các quá trình cắt gọt, với mục đích nghiên cứu

sự tương tác phức tạp của nhiều tham số tham gia trong khi phát triển các khả năng để tối ưu hoá hoạt động gia công

Mô hình đơn giản được trình bày trong Hình 21.3a (tham khảo mô hình M.E Mechant, được phát triển từ đầu thập nhiên 1940s) là mô hình hiệu quả để thực hiện được mục đích trên Mô hình này được biết đến như là quá trình cắt trực giao

(orthogonal cutting), bởi vì nó là quá trình cắt hai chiều và các lực tham gia (sẽ trình bày sau) vuông góc lẫn nhau Dao cắt có góc trước (rake angle), kí hiệu α (dương như trên hình) và góc sau (relief/clearance angle)

Một thí nghiệm kiểm tra dưới kính hiển vi của phoi thu được trong quá trình gia công thực tế đã cho thấy chúng được tạo ra bởi sự trượt (như trong Hình 21.4a) – giống như sự chuyển động của một bộ bài với các lá bài trượt lên nhau Sự trượt diễn

ra ở vùng trượt - shear zone (thông thường dọc theo một mặt phẳng được xác định rõ hay còn gọi là mặt phẳng trượt – shear plane) với góc ϕ (còn gọi là góc trượt) Phía dưới mặt phẳng trượt, phôi vẫn không bị biến dạng; phía trên nó, phoi được hình thành

và di chuyển lên mặt trước của dao cắt Kích thước d trong hình được phóng đại lớn đểhiện thị cơ chế liên quan Trong thực tế, kích thước này trong khoảng 10-2 đến 10-3mm.Một vài vật liệu (ví dụ như gang ở tốc độ thấp) không thể trượt theo một mặt phẳng xác định nhưng thay vào đó trượt theo một vùng, như trên Hình 21.3b Việc trượt trong một thể tích như vậy là có thể, nhưng nó dẫn đến các khiếm khuyết bề mặt của phôi (sẽ trình bày sau)

Hình 21.4 (a) Minh hoạ cơ chế đơn giản của sự hình thành phoi bởi sự trượt (b) Sơ

đồ vận tốc trình bày mối quan hệ góc cạnh giữa ba loại vận tốc trong vùng cắt

Tỉ số cắt – Cutting ratio Có thể xem rằng độ dày phoi, tc, có thể xác định dựa

vào độ sâu cắt to, góc trước α và góc trượt ϕ Tỉ số to/tc gọi là tỉ số cắt (hay tỉ số độ dày phoi), kí hiệu r, liên hệ với hai góc bằng mối liên hệ sau:

Tỉ số cắt là một thông số quan trọng và hữu ích cho việc đánh giá các điều kiện cắt gọt Vì độ dày phoi không định hình to là thông số cài đặt của máy và do đó đã biết,

tỉ số cắt có thể được tính dễ dàng bằng cách đo độ dày phoi bằng vi kế Với góc trước cũng được biết với mỗi quá trình cắt cụ thể (nó là một hàm của dụng cắt và hình dạng phôi được sử dụng), phương trình 21.1 cho phép tính toán góc trượt

Mặc dù ta xem to là chiều sâu cắt, nhưng chú ý rằng trong quá trình cắt gọt như tiện, như trình bày trên Hình 21.2, đại lượng này là lượng chạy dao Để hình dung điềunày, giả sử, ví dụ, phôi trên Hình 21.2 là một ống thành mỏng và độ rộng cắt bằng độ dày ống Khi đó, bằng cách xoay Hình 21.3 một góc 90o theo chiều kim đồng hồ, ta thấy nó tương tự như Hình 21.2

Độ biến dạng trượt – Shear strain Tham khảo Hình 21.4a, chúng ta có thể thấy

rằng biến dạng trượt trượt γ mà vật liệu chịu đựng có thể được biểu diễn như sau:hoặc

Lưu ý rằng biến dạng trượt trượt lớn kết hợp với góc trượt nhỏ hoặc với góc trượtnhỏ hoặc âm Biến dạng trượt từ 5 trở lên có thể thấy trong các quá trình cắt gọt thực

tế So sánh với các quá trình tạo hình, vật liệu phôi chịu sự biến dạng lớn hơn trong suốt quá trình cắt, xem Bảng 2.4 Hơn nữa, sự biến dạng trong quá trình cắt thường diễn ra trong một vùng rất hẹp Hay nói cách khác, chiều dài d = OC trên Hình 21.4a rất nhỏ Vì thế, tỉ lệ xảy ra trượt cao (Chúng ta thảo luận về bản chất và độ lớn vùng biến dạng sâu hơn trong Mục 21.3)

Góc trượt có ý nghĩa rất lớn trong cơ học của các hoạt động cắt gọt Nó ảnh hưởng đến yêu cầu về lực và năng lượng, độ dày của phoi và nhiệt độ Do đó, cần chú

ý vào việc xác định mối quan hệ giữa góc trượt, các tham số quá trình cắt gọt và tính chất của vật liệu làm phôi

Một trong những phân tích đầu tiên dựa trên giả định rằng góc trượt có thể tự điều chỉnh để giảm lực cắt hoặc mặt phẳng trượt là một mặt phẳng có ứng suất trượt lớn nhất Phân tích này đưa ra biểu thức sau:

Trong đó β là góc ma sát và nó có quan hệ với hệ số ma sát µ tại mặt phân cách giữa phoi và dao cắt bằng biểu thức µ = tanβ Trong số nhiều mối quan hệ của góc trượt, một công thức khác cũng thường được áp dụng:

Hệ số ma sát trong cắt gọt kim loại thường nằm trong khoảng 0.5 đến 2, chỉ ra rằng phoi gặp trở ngại ma sát đáng kể trong khi di chuyển lên bề mặt trước của dao Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng µ thay đổi đang kể dọc theo mặt phân cách dao – phoi bởi vì những sự thay đổi lớn về áp suất tiếp xúc và nhiệt độ Do đó, µ còn được gọi là

hệ số ma sát trung bình biểu kiến – apparent mean coefficient friction

Phương trình 21.3 chỉ ra rằng (a) khi góc trước giảm hoặc ma sát tại mặt phân cách dao – phoi tăng, thì góc trượt giảm và phoi trở nên dày hơn; (b) phoi dày nghĩa là tiêu tốn nhiều năng lượng bởi vì độ biến dạng trượt cao hơn (xem phương trình 21.2); (c) bởi vì công việc được thực hiện trong quá trình cắt được chuyển hoá thành nhiệt, nên sự gia tăng nhiệt độ cũng cao hơn Tác động của nhựng hiện tượng này được mô tảtrong suốt phần còn lại của chương này

Vận tốc trong vùng cắt – Velocities in the Cutting Zone Quan sát Hình 21.3,

nhận thấy rằng (khi độ dày phoi lớn hơn chiều sâu cắt), vận tốc của phoi Vc phải nhỏ hơn vận tốc cắt V Sự liên tục khối lượng phải được duy trì,

Do đó,

Một sơ đồ vận tốc cũng có thể được xây dựng, như trong hình 21.4b, trong đó, từ mối quan hệ lượng giác, chúng ta có được phương trình

trong đó VS là vận tốc mà tại đó sự cắt xén xảy ra trong máy bay cắt Cũng lưu ý rằng

Các mối quan hệ vận tốc này sẽ được sử dụng trong Phần 21.3 để mô tả các yêu cầu vềcông suất trong hoạt động cắt

21.2.1 Các loại Phoi trong cắt kim loại

Các loại kim loại thường thấy trong thực tiễn và hình ảnh thể hiện trên hình 21.5 Bốn loại chính là như sau:

Các loại phoi cơ bản được tạo ra trong việc cắt kim loại trực giao, biểu diễn giản

đồ và ảnh chụp bằng vi điện tử của khu cắt: (liên tục với chíp hẹp, thẳng, và khu vực cắt chính, (b) phoi liên tục với khu vực cắt thứ cấp tại giao diện phoi-công cụ, c) cạnh được xây dựng, (d) phoi phân đoạn hoặc nonhomogeneous, và (e) phoi gián đoạn

Phôi liên tục

Phoi liên tục thông thường được tạo ra với những vật liệu mềm và được gia công ở tốc độ cắt cao hoặc góc trước của dao lớn (hình 21.5a) Biến dạng của vật liệu được trải dải trong một khu vực cắt hẹp gọi là khu vực cắt chính (sơ cấp) Những phoi liền có thể phát triển tới vung cắt thứ cấp 2 (hình 21.5b) do lực ma sát cao ở mặt phân cách giữa dao và phoi, vùng này trở nên dày hơn do ma sát tăng

Biến dạng ở phoi liên tục cũng có thể diễn ra dọc theo vùng cắt chính với biên dạng là các đường được uốn cong (hình 21.3b), không giống như hình 21.5a Lưu ý rằng vùng giới hạn dưới của khu vực biến dạng như hình 21.3b nằm dưới bề mặt gia công bị biến dạng làm cho nó bị méo mó đi khi gia công bề mặt Tình trạng này diễn

ra phổ biến gia công cắt gọt kim loại mềm ở tốc độ cắt thấp và góc trước của dao nhỏ

Kết quả là tạo ra chất lượng bề mặt thấp và tạo ứng suất dư, do đó gây những bất lợi nhất định trong các công đoạn gia công tiếp theo.

Tuy nhiên để tạo ra các sản phẩm có chất lượng bề mặt tốt thì việc tạo ra các phoi liên tục là điều không nhất thiết mong muốn Với việc tham gia của các công cụ điều khiển bằng máy tính trong sản xuất rộng làm cho nó có xu hướng mất ổn định xung quanh các dụng cụ gá cố định dao Những chi tiết cố định cũng như là phôi làm việc, cũng như là xung quanh hệ thông dao gá sẽ được tìm hiểu ở mục 23.3.7 Quá trình gia công có thể sẽ phải dừng lại lưng chừng để làm sạch các vụn phoi Vấn đề này có thể giảm bớt đi nếu ta cắt bỏ phôi sớm bằng việc hiêu chỉnh những thông số như tốc độ cắt, chiều sâu cắt hoặc sử dụng chất làm nguội

Hiện tượng dính dao (lẹo dao)

Lẹo dao (BUE) gồm các lớp vật liệu từ phôi lắng đọng thành lớp dính lên dao cắt như hình 21.5c Do nó càng lúc càng hình thành lớn hơn BUE trở nên mất ổn định

và bị phá vỡ thành các phần riêng biệt Một phần vật liệu của BUE có thể được bởi công cụ cắt dưới dạng phoi, phần còn lại được tích lũy ngẫu nhiên trên bề mặt phôi làm việc Chu kỳ của việc hình thành và phá hủy của BUE được lặp lại một cách liên tục suốt quá trình cắt gia công cho tới khi đúng kích thước cần Trên thực tế BUE làm thay đổi câu trúc hinh học cạnh của dao và làm mẻ dao có thể thấy trên hình 21.6a

BUE là yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của sản phẩm có thể thấy ở hình 21.5c và 21.6b và c Ở một phương diện khác, với một lớp mỏng BUE là điều chúng ta mong muốn vì có thể tham gia vào quá trình giảm mài mòn dao giúp bảo

vệ bề mặt dao tốt, tăng tuổi thọ dao Những kim loại làm việc trong điểu kiện bình thường có xu hướng hình thành BUE ít hơn so với những kim loại đã qua ủ hoặc nhiệt luyện Do sự biến cứng và lắng đọng của các lớp vật liệu, BUE tăng được độ cứng đáng kể

Chúng ta có thể chủ động giảm quá trình hình thành BUE bằng một trong những cách sau:

 Tăng tốc độ cắt

 Giảm chiều sâu cắt

 Tăng góc trước của dao

 Sử dụng đa dạng hình dạng dao

 Sử dụng dung dịch làm mát hiêu quả

 Sử dụng dao cắt đã tẩm các hóa chất khi tác dụng lên bề mặt làm việc

Hình 21.6 (a) Sự phân bố độ cứng trên BUE ở khu vực cắt (vật liệu thép 3115) Lưu ýrằng một vài vùng ở BUE có độ cứng gấp 3 lần kim loại của phôi (b) bề mặt của sản phẩm cuối trong tiện của thép 5130 với BUE (c) bề mặt cuối trong phay mặt đầu của

thép 1018 Nguồn: Hiệp hội nghiên cứu Courtesy of Metcut Research Associates, Inc.

Phoi xếp

Phoi xếp như hình 21.5d là những phoi được hình thành liên tục với một vùng rộng lớn

có độ bền cắt thấp vật liệu có độ cứng vừa phải vùng cắt có độ biến dạng cao Phía bề mặt phoi trượt lên mặt trước của dao là mặt nhẳn, còn phía đối diện thì gồ ghề có dạng răng cưa Các phần tử vật liệu trong dạng phoi này liên kết với nhau tương đối bền vững (loại phoi này không nên nhầm lẫn với với các dạng minh họa trong hình 21.4a Các kim loại có tính dẫn nhiệt thấp và có độ bền giảm theo nhiệt độ (gọi là độ mềm nhiệt) nổi bật là khi quan sát với hợp kim bằng titan và hợp kim của nó

 Vật liệu phôi có chứa các tạp chất và các chất gây cứng hoặc các cấu trúc

ở dạng graphic trong gang xám

 Tốc độ cắt quá chậm hoặc quá nhanh

 Chiều sâu cắt lớn

 Góc trước nhỏ

 Thiếu chất làm mát hợp lý

 Độ cứng, ổn định của đồ gá thấp hoặc máy công cụ do đó dẫn tới gây rung lắc mất cân bằng

Do sự không liên tục một cách tự nhiên trong việc tạo thành phoi Lực cắt thay đổi liên tục trong suốt quá trình cắt Do đó, độ cứng hoặc ổn định của hệ thống gá đặt

và độ ổn định của máy phải dược quan tâm Đó là những yếu tố rất quan trọng trong gia công đối với các dạng phoi xếp hoặc vụn Nếu không đủ cứng máy có thể bắt đầu rung và mất ổn định, sẽ được tìm hiểu kỹ ở mục 25.4 Điều này lần lượt ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác của kích thước đối với từng vật gia công, và có thể gây hư hỏng hoặc giảm tuổi thọ của dao cắt Ngay cả những phần của máy công cụcũng có thể bị ảnh hưởng nếu rung động quá mức cho phép

Phoi dây

Trong tất cả các hoạt động cắt gọt kim loại cũng như các phi kim loại khác như nhựa,

gỗ phoi hình thành dưới dạng dây khi rời khỏi bề mặt phôi (hình 21.5) Một số yếu tố ảnh hưởng đến việc hình thành phôi dây là:

 Sự phân bố ứng suất ở những vùng cắt sơ cấp và thứ cấp

 Những ảnh hưởng của nhiệt độ

 Đặc tính về độ cứng và kim loại cần gia công

 Cấu trúc hình học của dao cắt

 Chất làm mát

Nhứng nhân tố ở trên rất phức tạp và vượt khỏi đề cương môn học của chúng ta Ta xéttới những tác động ảnh hưởng đến chất lượng của việc gia công như giảm chiều sâu cắt, giảm bán kính của dây phoi làm cho phoi có dạng xoắn Chất làm mát cũng có thể làm cho phoi trở nên xoắn hơn do đó giảm được diện tích tiếp xúc, giảm được sự tăng nhiệt độ ở đầu dao dẫn tới giảm ăn mòn dao

Cắt bỏ phoi

Như đã nói ở trên, phoi liền và dài là điều không mong muốn, vì nó có khuynh hướng gây vướng víu tác động nghiêm trọng tới quá trình gia công cắt gọt và có thể là mối nguy hại tiềm ẩn Nếu tất cả các tiến trình gia công được kiểm soát Biện pháp xử lý thông thường là né tránh các vấn đề như là phá bỏ các liền với dao cắt được trình bày như hình 21.7

Nguyên tắc cơ bản của việc loai bỏ phoi trên bề mặt dao cắt là uốn cong và phá

bỏ định kỳ dao cắt và chèn như hình 22.2 Ngày nay người ta đã tích hợp cả hai phân trên thành một với nhiều mẫu mã đa dạng như hình 21.7 Phoi có thể bị gãy bằng cách thay đổi các thông số hình học của dao để điều khiển quá trình dòng phoi được lấy ra Như trong quá trình tiện hình 21.8 Kinh nghiệm cho thấy rằng hình dáng phoi lý tưởng để loại bỏ là uốn cong hình chữ C hoặc số 9 và phù hợp trong một không gian hình vuông 25mm

Kiểm soát sự tiếp xúc khi cắt

Dao cắt có thể được thiết kế sao cho chiều dài tiếp xúc giữa phoi và dao giảm đi bằng cách lùi để mặt trước của dao có một khoảng cách đủ xa so với đầu dao Sự giảm chiềudài tiếp xúc này ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi khi gia công Chủ yếu nó giảm lực cắt như là năng lượng và nhiệt độ Việc xác định chiều dài tối ưu là rất quan trọng, chiều dài tiếp xúc quá nhỏ thì tập trung nhiệt ở đầu dao dân tới nhanh ăn mòn dao.

Cắt vật liệu phi kim loại

Một loạt các phoi gặp phải trong cắt nhựa nhiệt, dựa vào các kiểu của polymer và thông số cắt như là chiều sâu cắt, hình dạng dao và tốc độ cắt Nhiều cuộc nghiên cứu thảo luận về kim loại cũng đã áp dụng polymer Vì nó dễ vỡ, dễ gia nhiệt, phoi được tạo ra là phoi vụn

Hình 21.7: Gia công nhôm sử dụng dụng cụ chằn mà không có máy cắt phoi Lưu ý các phoi dài có thể tác động vào công cụ gây ra các mối nguy hiểm (b) Gia công bằng nhôm với các công cụ các phoi., (c) sơ đồ minh họa hoạt động của đồ cắt phoi Lưu ý rằng đồ cắt phoi làm giảm bán kính cong của phoi và cuối cùng cắt đứt phoi (e) cắt

rãnh trong trên mặt trước của dụng cụ cắt Hầu hêt các dụng các ngày ngày đều sử

dụng tích hợp đồ phá hủy phoi

Hình 21.8 phoi được tạo ra trong quá trình tiện: (a) Phoi được uốn cong; (b) Phoi hãm lại và hết quá trình làm việc (c) phoi liên tục di chuyển ra khỏi phôi, (d) Phoiđược chạm vào dao và bị phá hủy

22.2.2 Cắt xiên.

Phần lớn quá trình cắt gọt bao gồm hình dạng của dao theo ba chiều, do đó có thể cắt nghiêng Sự khác biệt cơ bản giữa cắt trực giao và cắt nghiêng có thể quan sát hình 21.9a và c Trong việc cắt trực giao, phoi trượt trực tiếp lên trên về mặt dao, còn trong cắt nghiêng phoi ở dạng xoăn ốc với góc nghiêng là i (hình 21.9b) lưu ý rằng hướng di chuyển của phoi trong cắt nghiêng tương tự như hoạt động của một máy trượt tuyết, theo đó tuyến được đẩy ra

Chú ý rằng các phoi trong hình 21.9a tuôn ta ở mặt trước của dao dưới góc αc (gọi là góc thoát) và được đo trong mặt phẳng bề mặt của dao Góc này hợp giữa đường chuẩn oz đến mặt phôi và đường thẳng oa trên bề mặt dao như hình

Hình 21.9 (a) sơ đồ minh họa cắt nghiêng Lưu ý hướng di chuyển của (b) xem phần trên để thấy góc nghiêng (c) các dạng phoi được hình thành khi tăng góc nghiêng.Trong cắt nghiêng, vật liệu phôi tiếp xúc với dao cắt ở vận tốc V và rời khỏi bề mặt (phoi) với vận tốc Vc Góc nghiêng tối ưu là, αe, được xác định trong mặt phẳng hợp của hai vận tốc trên Giả sử rằng ở góc thoát của phoi, αc, bằng với góc nghiêng, i (đã được xác minh thực nghiệm), góc nghiêng tối ưu αe được xác định bằng công thức:

Do cả i và cần được đo trực tiếp, góc nghiêng tối ưu có thể được tính toán Lưu ý rằngnếu tăng góc i thì thì góc nghiêng tối ưu tăng theo, phoi trở nên mỏng hơn và dài hơn Với kết quả trên lực cắt sẽ giảm Ảnh hưởng của góc nghiêng đến hình dạng của phoi như hình 21.9c

Một dao tiện xoay đơn điển hình sử dụng trong máy tiện như hình 21.10a Lưu ý các góc khác nhau có liên quan với nhau do đó phải lựa chọn thích hợp để quá trình cắt được hiệu quả Các góc này được sản xuất bằng phương pháp mài (chương 26) Phần lớn các dụng cụ cắt hiện nay đã được sử dụng rộng rãi đã được thiết kế sẵn như trong hình 21.10b

Bào và bào mỏng

Lớp vật liệu mỏng có thể bị loại bỏ từ các bề mặt phẳng hoặc cong bởi quy trình tương

tự quá trình bào gỗ Bào là hoạt động hữu ích trong việc cải thiện bề mặt gia công cuối

của tấm kim loại, và bào được trình bày như trong hình 16.9 Một ứng dụng khác thường xuyên xảy ra trong quá trình bào trong bánh răng là sử dụng máy cắt có hình bánh răng Các chi tiết dài hoặc có hình dạng phức tạp được bào mỏng bằng cách sử dụng máy cắt có hình dạng đặc biệt- Nó được di chuyển tiếp tuyến so với chiều dài củamiếng kim loại.

Hình 21.10 (a) Sơ đồ minh hoạ của một công cụ cắt tay mặt Các góc độ khác nhau trên các công cụ này và những ảnh hưởng của chúng đối với gia công được mô tả trong phần 23.2 Mặc dù các dụng cụ truyền thống này được sản xuất từ các thanh thépcông cụ rắn, chúng đã được thay thế chủ yếu bằng (b) các bộ phận chèn bằng cacbua

và các vật liệu khác có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau

21.3 Lực cắt và năng lượng cắt:

Nghiên cứu lực cắt và năng lượng cắt liên quan đến hoạt động gia công là rất quan trọng

vì những lý do sau đây:

 Dữ liệu về lực cắt là điều cần thiết để:

a Các công cụ máy có thể được thiết kế hợp lý để giảm thiểu sự biến dạng của các chi tiết máy, duy trì độ chính xác về kích thước mong muốn của bộ phận gia công và giúp lựa chọn các dụng cụ thích hợp cho các thiết bị làm việc

b Các phôi có khả năng chịu đựng những lực cắt này mà không bị biến dạng quá mức

 Các yêu cầu về công suất phải được biết đến để có thể lựa chọn một máy công

cụ có công suất phù hợp

Các lực tác động cắt trực giao được biểu diễn trong hình 21.11a Lực cắt, Fc, hoạt động theo hướng tốc độ cắt, V, và cung cấp năng lượng cần thiết cho việc cắt Tỉ lệ giữa lực cắt vào vùng mặt cắt ngang được cắt (tức là, các sản phẩm có chiều rộng cắt

và chiều sâu cắt) được gọi là lực cắt cụ thể

Lực đẩy, Ft, hoạt động theo một hướng vuông góc với lực cắt Hai lực này tạo ra hợp lực R, như thể thấy từ vòng tròn lực thể hiện trong hình 21.1lb Lưu ý rằng hợp lực có thể được giải quyết thành hai thành phần trên mặt công cụ: Một lực ma sát F dọc theo phoi-công cụ và một lực lượng N, vuông góc với nó Nó cũng có thể được trình bày:

Và

Lưu ý rằng hợp lực được cân bằng bởi lực tương đương và đối diện dọc theo mặt phẳng cắt và được phân tích thành lực cắt, Fs, và lực bình thường Fn những lực này

có thể được thể hiện, tương ứng như:

Hình 21.11 (a) Các lực hoạt động trong vùng cắt trong quá trình cắt hai chiều Lưu ý rằng hợp lực R phải là cộng tuyến để cân bằng các lực (b) lực lượng vòng để xác định các lực hoạt động trong khu vực cắt

Bởi vì diện tích của mặt cắt có thể được tính bằng cách biết được góc cắt và độ sâu cắt,

áp suất cắt và ứng suất bình thường trong mặt cắt có thể được xác định Tỷ số F và N

là hệ số ma sát tại bề mặt chung giữa phoi với công cụ cắt và góc là góc ma sát (như hình 21.1) Độ lớn được xác định theo công thức:

Mặc dù cường độ của lực cắt thực tế thường là vài trăm newton, nhưng áp lực trong vùng cắt và áp lực lên công cụ rất cao bởi vì các vùng tiếp xúc rất nhỏ Ví dụ, chiều dài tiếp xúc giữa phoi và dao cắt (xem hình 21.3) thường khoảng 1mm Do đó, mũi dao phải chịu áp lực rất cao, dẫn đến mài mòn, và đôi khi là tróc và gãy nứt của dụng cụ

Lực đẩy Kiến thức về lực đẩy trong việc cắt là rất quan trọng bởi vì bộ dụng cụ, thiết bị gá đặt và máy công cụ phải có độ cứng đủ để hỗ trợ lực với độ lệch nhỏ nhất

Ví dụ, nếu lực đẩy quá cao hoặc nếu máy công cụ không đủ cứng, dụng cụ sẽ được đẩy ra khỏi bề mặt của phôi đang được gia công Sự dịch chuyển này sẽ lần lượt giảm

độ sâu cắt, dẫn đến độ chính xác của mặt bằng ít hơn

Chúng ta cũng có thể cho thấy ảnh hưởng của góc nghiêng và góc ma sát vào hướng lực đẩy bằng cách chú ý từ Hình 21.11b rằng:

(21.12a)

(21.12b)

Lưu ý rằng độ lớn của lực cắt luôn dương, như thể hiện trong hình 21.11, bởi vì lực này cung cấp yêu cầu cần thiết cho việc cắt Tuy nhiên, dấu của lực đẩy có thể là dương hoặc âm, tùy thuộc vào độ lớn tương đối của và Khi , ký hiệu của là dương (nghĩa là hướng xuống) và khi nào dấu là âm (nghĩa là hướng lên) Vì vậy, có thể có một lực đẩy lên theo các điều kiện của (a) góc độ nghiêng cao, (b) ma sát thấp tại bề mặt tiếp xúc giữa phoi và công cụ, hoặc (c) cả hai Một lực đẩy tiêu cực có thể có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế máy công cụ và chủ sở hữu công việc và trong sự

Từ hình 21.4b và 21.11, có thể thấy rằng công suất tiêu hao trong mặt phẳng cắt là:

Gọi chiều rộng cắt là w, công suất cắt là , ta có:

Tương tự, công suất tiêu hao trong ma sát là:

Đo lực cắt và công suất Lực cắt có thể được đo bằng bộ biến đổi năng lượng (thông thường là các cảm biến áp điện thạch anh), một máy đo lực kế, hoặc load cell (với các

bộ đo căng dây điện áp đặt trên các vòng hình bát giác) gắn trên giá đỡ dụng cụ cắt Đầu dò có tần số tự nhiên và độ cứng cao hơn nhiều so với máy đo lực, có thể bị lệch

và rung động quá mức Ngoài ra, có thể tính lực cắt từ điện năng tiêu thụ trong khi cắt,với điều kiện hiệu quả cơ học của máy công cụ được biết hoặc có thể được xác định Năng lượng cụ thể trong cắt (như thể hiện trong Bảng 21.2) cũng có thể được sử dụng

để tính lực cắt

Ví dụ 21.1 Năng lượng tương đối trong cắt

Trong phương pháp cắt trực tiếp, t0 = 0,13 mm; V = 120 m/min, , chiều rộng cắt là 6

mm, tc = 0,23 mm; Fc = 500N, Ft = 200N Tính tỷ lệ phần trăm của tổng năng lượng tham gia vào việc vượt qua ma sát tại bề mặt công cụ và phoi

Giải:

Phần trăm năng lượng có thể được biểu diễn bằng:

Mà:

Do đó:

Nên:

21.4 Nhiệt độ trong quá trình cắt

Như trong tất cả các quá trình gia công kim loại, nơi có sự biến dạng bằng nhựa, năng lượng tiêu hao trong quá trình cắt được chuyển thành nhiệt, làm tăng nhiệt độ trong vùng cắt Nhiệt độ tăng là một yếu tố rất quan trọng trong gia công vì những tác động tiêu cực chủ yếu của nó, như sau:

 Nhiệt độ quá cao làm giảm sức mạnh, độ cứng, và khả năng chịu mài mòn của dụng cụ cắt; dụng cụ cũng có thể bị mềm và trải qua biến dạng dẻo; do đó hình dạng của dụng cụ bị thay đổi

 Nhiệt gia tăng làm cho những thay đổi không đồng đều trong phần đang được gia công, làm cho việc kiểm soát độ chính xác chiều dày và dung sai của nó trở nên khó khăn

 Nhiệt độ tăng quá cao có thể gây tổn hại nhiệt và thay đổi kim loại trong bề mặtgia công, ảnh hưởng bất lợi đến các tính chất của nó

Từ các phần trước, có thể thấy rằng các nguồn chính của nhiệt trong gia công là: (a) công việc được thực hiện trong cắt tại khu vực cắt chính, (b) năng lượng tiêu hao như

ma sát tại mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ, (c) nhiệt tạo ra khi dụng cụ chà xát bề mặt gia công, đặc biệt đối với dụng cụ mờ hoặc mòn Đã có nhiều nỗ lực trong việc thiết lập các mối quan hệ giữa nhiệt độ và các yếu tố khác nhau trong quá trình cắt

Một biểu thức toàn diện cho nhiệt độ trung bình, , trong cắt trực tiếp là:

Trong đó:

Nhiệt độ trung bình là K

Yf là áp suất dòng chảy trong Mpa

pc là nhiệt lượng riêng theo thể tích trong kJ /m3

K là phổ biến nhiệt (tỷ lệ dẫn nhiệt đến nhiệt độ cụ thể) trong m2/s

Bởi vì các tham số vật liệu trong phương trình này phụ thuộc vào nhiệt độ, điều quan trọng là phải sử dụng các giá trị phù hợp với phạm vi nhiệt độ dự đoán Nó có thể được nhìn thấy từ Eq (21.19a) rằng nhiệt độ cắt trung bình tăng lên cùng với cường độ

phôi, tốc độ cắt, và chiều sâu cắt, và giảm đi khi nhiệt độ và tính dẫn nhiệt của vật liệu

Hình 21.12 Phân bố nhiệt độ điển hình trong vùng cắt; lưu ý các đường dốc nhiệt độ

quan trọng trong công cụ và phoi, và rằng phôi vẫn tương đối nguội Nguồn: Sau G Vieregge

Phân bố nhiệt độ Bởi vì các nguồn tạo ra nhiệt trong gia công được tập trung ở khu vực cắt chính và tại mặt tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phoi, nên dự kiến sẽ có các đường dốc nhiệt độ nghiêm ngặt trong vùng cắt Một sự phân bố nhiệt độ điển hình

được chỉ ra trong Hình 21.12 lưu ý đến sự có mặt của các dốc và độ mờ của trục là

khoảng nửa chừng lên dao cắt- phoi

Chuyển biến nhiệt độ khi tiện thép 52100 được thể hiện trong hình 21.13 Sự phân bố nhiệt độ dọc theo bề mặt biên của dụng cụ được thể hiện trong Hình 21.13a, với V =

60, 90 và 170 m / phút, như là một hàm của khoảng cách từ đầu của dụng cụ Sự phân

bố nhiệt độ tại mặt phân cách giữa phoi và công cụ cho cùng một tốc độ cắt như trong Hình 21.13b, như là một hàm của một phần của chiều dài tiếp xúc Do đó, số không trên trục hoành đại diện cho đầu công cụ, và 1.0 đại diện cho sự kết thúc của chiều dài liên lạc của công cụ-phoi

Hình 21.13 Chuyển biến nhiệt độ khi tiện thép 52100 (a) Sự phân bố nhiệt độ dọc

theo bề mặt biên của dụng cụ và (b) Sự phân bố nhiệt độ tại mặt phân cách giữa phoi

và công cụ cho cùng một tốc độ cắt

Lưu ý rằng nhiệt độ tăng khi tốc độ cắt tăng và nhiệt độ cao nhất là gần 11000 Sự hiệndiện của nhiệt độ cao như vậy trong gia công có thể được xác minh đơn giản bằng cách quan sát màu xanh đậm của phoi (do oxy hóa) tạo ra ở tốc độ cắt cao Phoi có thể trở nên nóng đỏ và gây nguy hiểm cho người vận hành

Từ phương trình (21.19b) và các giá trị cho số mũ a, có thể thấy tốc độ cắt V, ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ Giải thích là, khi tốc độ tăng lên, thời gian tản nhiệt giảm, và

do đó nhiệt độ tăng lên (cuối cùng trở thành một quá trình nhào nhiệt) Tác động của tốc độ này có thể được chứng minh một cách dễ dàng bằng cách đánh bóng bằng tay nhanh hơn

Như hình vẽ 21.14, phoi mang phần lớn lượng nhiệt được tạo ra Người ta ước tính rằng 90% năng lượng sẽ bị loại bỏ bởi phoi trong quá trình gia công điển hình, phần còn lại của công cụ và phôi Lưu ý trong hình này, khi tốc độ cắt tăng lên, một phần lớn hơn tổng lượng nhiệt được tạo ra do phoi mang đi, và nhiệt lượng ít đi vào phôi hoặc dụng cụ Đây là một trong những lý do mà tốc độ gia công đã tăng lên đáng kể qua nhiều năm (xem phần gia công cỡ lớn / 2 tốc độ, Mục 25.5) Lợi ích chính khác cóliên quan đến các yếu tố kinh tế thuận lợi trong việc giảm thời gian gia công, như mô

tả trong Phần 25.8

Kỹ thuật đo nhiệt độ Nhiệt độ và sự phân bố của chúng trong vùng cắt có thể được xác định từ các cặp nhiệt điện được nhúng trong dụng cụ hoặc phôi Kỹ thuật này đã được sử dụng thành công Nó dễ dàng hơn để xác định nhiệt độ trung bình với nhiệt emf (điện động lực) tại vị trí dao cắt-phoi, hoạt động như một mối nóng giao nhau giữa hai vật liệu khác nhau (dao cắt và phoi) Bức xạ hồng ngoại từ khu vực cắt cũng

phải chịu (a) các ứng suất cục bộ cao ở đầu của

dung cụ cắt; (b) nhiệt độ cao, đặc biệt là dọc mặt

trước; (c) trượt của phoi ở tốc độ cao dọc theo bề

mặt trước; và (d) trượt của lưỡi cắt dọc theo bề

mặt phôi mới gia công Những điều kiện này gây

ra mài mòn dụng cụ,lý do chính trong tất cả các

hoạt động gia công, như khuôn mẫu và khuôn

đúc trong quá trình đúc và gia công kim loại

Dụng cụ hao mòn ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ

dụng cụ,chất lượng của bề mặt gia công và độ chính xác kích thước của nó, và do đó chi phí cắt gọt tăng lên

Mài mòn là một quy trình dần dần (xem Phần 33.5), giống như sự mòn đầu của một bút chì thông thường Tỷ lệ mòn dụng cụ (tức là, thể tích mòn mỗi đơn vị thời gian) phụ thuộc vào vật liệu phôi, vật liệu dụng cụ cắt và lớp phủ của nó, hình dáng của dụng cụ cắt, thông số quá trình,chất lỏng cắt, và các đặc tính của máy công cụ Mòn dụng cụ và kết quả thay đổi hình dạng của dụng cụ (hình 21.13) thường được phân loại

như sự hao mòn của bên sườn, mòn đầu dao, mòn mũi, vết nắn, biến dạng nhựa, chẻ,

và nứt gãy

21.5.1 Sự mòn mặt sau

Sự mòn mặt sau xảy ra trên bề mặt sau của dụng cụ, thể hiện trong hình 21.15a,b, và

e Nó nói chung là do (a) cọ xát công cụ dọc theo gia công bề mặt, do đó gây ra sự bám dính hoặc ăn mòn và (b) nhiệt độ cao,tác động đến cấu trúc vật liệu làm dao cắt.Trong một nghiên cứu cổ điển của F.W Taylor (1856-1915) về việc gia công thép được tiến hành vào đầu những năm 1890, mối quan hệ gần đúng sau đây đối với tuổi thọ của dụng cụ cắt, được biết đến như công thức Taylor, được thiết lập:

VTn =C,trong đó V là tốc độ cắt, T là thời gian (tính bằng phút) cần thiết develop

a certain flank wear land (thể hiện bằng VB trong hình 21.15a), n là số mũ phụ thuộc vào vật liệu phôi, dụng cụ cắt , điều kiện cắt, và C là hằng số Mỗi sự kết hợp của phôi,vật liệu dụng cụ cắt và mỗi điều kiện cắt có giá trị n và C riêng, cả hai đều được xác định bằng thực nghiệm và thường dựa trên yêu cầu hoàn thiện bề mặt Ngoài ra,

phương trình Taylor thường được áp dụng ngay cả khi sự ăn mòn mặt sau không phải

là chế độ mòn có ảnh hưởng lớn (xem hình 21.15), hoặc nếu một tiêu chí khác (như công suất gia công theo yêu cầu) được sử dụng để định nghĩa C và n Nói chung, n phụthuộc vào vật liệu phôi, và được thể hiện như trong Bảng 21.3, và C trên vật liệu phôi Lưu ý rằng độ lớn của C là tốc độ cắt tại T = 1 phút

Để đánh giá tầm quan trọng của số mũ n, phương trình (21.25) có thể được viết lại nhưsau:

1

n

C T

V

� �

 � � � �

(21.26)trong đó nó có thể được thấy rằng với một giá trị không đổi của C, giá trị của n càng nhỏ thì tuổi thọ dụng cụ cắt càng thấp