Tìm hiểu một số phương pháp thiết kế và gia công với sự trợ giúp của máy tính

Trình bày mô hình hình học chi tiết. Sản xuất tích hợp. Sản xuất đúng lúc. Các kết luận. Trình bày mô hình hình học chi tiết. Sản xuất tích hợp. Sản xuất đúng lúc. Các kết luận. Trình bày mô hình hình học chi tiết. Sản xuất tích hợp. Sản xuất đúng lúc. Các kết luận. Trình bày mô hình hình học chi tiết. Sản xuất tích hợp. Sản xuất đúng lúc. Các kết luận. Trình bày mô hình hình học chi tiết. Sản xuất tích hợp. Sản xuất đúng lúc. Các kết luận. Trình bày mô hình hình học chi tiết. Sản xuất tích hợp. Sản xuất đúng lúc. Các kết luận.

-   -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

TÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

VÀ GIA CÔNG VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH

NGUYỄN SONG BÌNH

HÀ NỘI 2006

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

T ÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

VÀ GIA CÔNG VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

MÃ SỐ :

NGUYỄN SONG BÌNH

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Huy Ninh

HÀ NỘI 2006

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Trọng Bình

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỹ luật theo qui định

Người thực hiện

Vũ Quang Huy

Mục lục

Trang

Lời cam đoan………2

Mục lục……….3

Danh mục các bảng số liệu……… 6

Danh mục các hình vẽ - đồ thị……… 7

Lời nói đầu……… 9

Chương 1: tổng quan về Công nghệ khoan 1.1 Nguyên lý cắt kim loại……… 12

1.1.1 Định nghĩa và các khái niệm cơ bản về quá trình gia công cắt gọt 12

1.1.1.1 Định nghĩa……… 12

1.1.1.2 Các chuyển động khi cắt……….………13

1.1.2 Cấu tạo dao……… 16

1.1.2.1 Thân dao……… 16

1.12.2 Phần cắt……… 16

1.2 Công nghệ khoan……… 24

1.2.1 Giới thiệu chung về công nghệ khoan……… 24

1.2.1.1 Khái niệm……… 24

1.2.1.2 Đặc thù riêng của khoan so với tiện……… 25

1.2.2 Mũi khoan……….25

1.2.2.1 Công dụng……… 25

1.2.2.2 Phân loại……….25

1.2.2.3 Cấu tạo mũi khoan……….26

1.2.2.4 Vật liệu làm mũi khoan……… 28

1.2.3 Các dạng khoan……… 28

1.2.3.1 Khoan lỗ đặc………28

1.2.3.2 Khoan mở rộng lỗ………28

1.2.4 Quá trình tạo phoi khi hoan……… … 29

1.2.4.1 Quá trình tạo phoi……… …29

1.2.4.2 Các dạng phoi……… … 31

1.2.4.3 Quá trình tạo phoi khi khoan……… …… 32

1.2.5 Quá trình mòn của mũi khoan……… ….32

1.2.5.1 Quá trình mòn của dụng cụ cắt……… …… 32

1.2.5.2 Quá trình mòn của mũi khoan……… …….36

1.2.6 Nhiệt cắt khi khoan……… 36

1.2.6.1 Nhiệt cắt và sự phân bố của nhiệt cắt……… … 36

1.2.6.2 Nhiệt cắt khi khoan……….… 38

1.2.7 Sử dụng dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt…… ……38

1.2.7.1 Thành phần dung dịch……… 38

1.2.7.2 Tác dụng của dung dịch trơn nguội……… ….38

1.2.7.3 Các phương pháp bôi trơn – làm nguội………… ………40

1.2.7.4 Bôi trơn – làm nguội khi khoan……… ………… 44

Kết luận chương 1………45

Chương 2: xác định áp lực và lưu lượng hợp lý của bôi trơn làm nguội tối thiểu khi khoan 2.1 Khái niệm về bôi trơn làm nguội tối thiểu………46

2.1.1 Định nghĩa……… 46

2.1.2 ưu, nhược điểm……… 46

2.2 Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm……… …………47

2.3 Phương pháp tiến hành thực nghiệm……….48

2.4 Xử lý số liệu thực nghiệm……….58

2.4.1 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm……….58

2.4.2 Xử lý kết quả thí nghiệm…… ………59

2.4.3 Xác định tuổi bền của mũi khoan……… 68

2.4.4 Kiểm tra tính đồng nhất của các thí nghiệm……… 69

2.4.5 Xây dựng quan hệ giữa tuổi bền T của mũi khoan với hai thông số P, Q……… 71

Kết luận chương 2 ……… 73

Chương 3: khảo sát sự mài mòn mũi khoan thép gió và độ nhám bề mặt chi tiết khi khoan thép 45 có sử dụng phương pháp bôi trơn - làm nguội tối thiểu 3.1 ưu nhược điểm của bôi trơn làm nguội tưới tràn……… 74

3.2 ưu nhược điểm của bôi trơn - làm nguội tối thiểu……….…… 74

3.3 Khảo sát sự mài mòn mũi khoan và độ nhám bề mặt chi tiết khi khoan thép 45 có sử dụng phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu……… 75

3.4 Nhận xét……… 78

Kết luận chương 3……… ……….79

Kết luận chung……… 80

Tóm tắt luận văn……… ………… ……81

Tài liệu tham khảo……… 83

Phụ lục……… ………… 85

Danh mục các bảng số liệu

0

2.1 Bảng sơ đồ qui hoạch thực nghiệm 48

2.2 Độ mòn mũi khoan và độ nhám bề mặt lỗ khoan 57 2.3 Số liệu tính toán ứng với điểm AR 1 60 2.4 Số liệu tính toán ứng với điểm AR 2 61 2.5 Số liệu tính toán ứng với điểm AR 3 63 2.6 Số liệu tính toán ứng với điểm AR 4 64 2.7 Số liệu tính toán ứng với điểm AR 5 66 2.8 Số liệu tính toán ứng với điểm AR 6 67 2.9 Tuổi bền của mũi khoan 69 2.10 Kiểm nghiệm tính đồng nhất các thí nghiệm 69 3.1 Số liệu thực nghiệm khi bôi trơn-làm nguội tối thiểu 75

1.11 Mô hình vùng tác động trong quá trình tạo phoi 30

1.15 Phân bố nhiệt ở chi tiết, phoi và dao khi tiện thép 40X

bằng dao hợp kim cứng T60K6

37

2.2 Cấu tạo chung của máy phay đứng Seiki 49 2.3 Máy phay đứng Seiki loại 2MF - V 51 2.4 Mẫu thí nghiệm thép 45 kích thước 45x45x35 52 2.5 Mũi khoan thép gió ∅10 52 2.6 Đầu phun dung dịch 53 2.7 Máy đo quang học PJ – 3000 54 2.8 Máy đo nhám SJ – 400 55 2.9 Quan hệ lượng mòn dao, thời gian cắt 58 2.10 Quan hệ lượng mòn dao, thời gian cắt tại điểm AR 1 61 2.11 Quan hệ lượng mòn dao, thời gian cắt tại điểm AR 2 62 2.12 Quan hệ lượng mòn dao, thời gian cắt tại điểm AR 3 64 2.13 Quan hệ lượng mòn dao, thời gian cắt tại điểm AR 4 65 2.14 Quan hệ lượng mòn dao, thời gian cắt tại điểm AR 5 67

2.15 Quan hệ lượng mòn dao, thời gian cắt tại điểm AR 6 68 3.1 Quan hệ lượng mài mòn và thời gian cắt khi khoan 76 3.2 Quan hệ độ nhám bề mặt lỗ khoan và thời gian cắt

Lời nói đầu

Tính cấp thiết của đề tài:

Trong quá trình gia công bằng dụng cụ cắt có lưỡi, sử dụng bôi trơn – làm nguội ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi bền của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt chi tiết gia công Từ trước tới nay chúng ta mới chỉ biết đến công nghệ bôi trơn – làm nguội theo kiểu tưới tràn Công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu đang được nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi hiện nay ở các nước công nghiệp tiên tiến Nhằm thăm dò khả năng ứng dụng công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu vào Việt Nam, tôi được giao nhiệm vụ khảo sát lượng mòn của mũi khoan thép gió trong điều kiện bôi trơn – làm nguội tối thiểu dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Trọng Bình

Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Từ những năm đầu của thập kỉ 90, công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển như Đức, Mỹ, Nhật… Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu này

đều gắn liền với điều kiện công nghệ cụ thể của từng nước (máy, dụng cụ cắt, vật liệu gia công) Do đó mỗi nước phải tự nghiên cứu để giải quyết vấn đề đặt

ra dựa trên điều kiện công nghệ cụ thể của mình Hiện nay ở nước ta chưa có nơi nào tiến hành nghiên cứu vấn đề này

Mục đích nghiên cứu:

Tìm ra chế độ công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu hợp lý khi khoan nhằm đạt được tuổi bền dụng cụ lớn nhất góp phần giảm thấp chi phí gia công, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường

Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu bằng thực nghiệm ứng với điều kiện công nghệ cụ thể như sau:

- Mũi khoan thép gió ∅10 do Công ty Cổ phần dụng cụ số 1 chế tạo

- Thí nghiệm được tiến hành trên máy phay đứng Seiki 2MF - V của hãng HITACHI SEIKI

- Vật liệu gia công: mẫu thép 45, dày δ= 35mm

Kết cấu của luận văn:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ khoan

Chương 2: Xác định áp lực và lưu lượng hợp lý của bôi trơn – làm

nguội tối thiểu khi khoan

Chương 3: Khảo sát sự mài mòn mũi khoan thép gió và độ nhám bề

mặt chi tiết khi khoan thép 45 có sử dụng phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu

Kết luận chung của luận văn

Tác giả hi vọng kết quả của luận văn sẽ là bước cơ sở để các nghiên cứu khoa học sau này nghiên cứu tối ưu hoá nguyên công khoan nói riêng và tối

ưu hoá quá trình cắt gọt nói chung Qua đó, dần dần tối ưu hoá quá trình cắt gọt sẽ được áp dụng vào thực tế sản xuất tại Việt nam bởi ta có thể thấy lợi ích

nó mang lại trước hết là giảm chi phí gia công (từ đó giảm giá thành sản phẩm); nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm ô nhiễm môi trường

Mặc dù đã cố gắng tìm tòi và học hỏi song nghiên cứu thực tế về tối ưu hoá quá trình gia công cắt gọt tại Việt nam còn rất mới mẻ, hơn nữa điều kiện kinh tế – vật chất – thời gian làm thí nghiệm còn nhiều hạn chế, cho nên không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót Tác giả rất mong nhận được góp ý của các thầy giáo, các nhà khoa học và đồng nghiệp

Trong quá trình hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Trọng Bình, các thầy cô

trong Khoa Cơ khí trường ĐHBK Hà nội và các cán bộ – giáo viên trường

Đại học Công nghiệp Hà nội, tác giả xin chân thành cảm ơn

Hà nội, ngày tháng năm 2006

Học viên CNCK 04-06

Vũ Quang Huy

U

1.1 Nguyên lý cắt kim loại:

Gia công kim loại bằng cất gọt là phương pháp gia công phổ biến nhất chiếm khối lượng lao động lớn nhất trong chế tạo cơ khí Khoảng 60% tổng chi phí cho một đơn vị thiết bị do ngành chế tạo máy tạo ra thuộc về gia công cắt gọt

1.1.1 Định nghĩa và các khái niệm cơ bản về quá trình gia công cắt gọt:

1.1.1.1 Định nghĩa:

Gia công kim loại bằng cất gọt là quá trình lấy đi một lớp vật liệu trên phôi (được gọi là lượng dư gia công) để nhận được chi tiết có hình dạng, kích thước và chất lượng bề mặt theo yêu cầu

1 chuyển động quay tròn của phôi (chuyển động cắt); 2 chuyển động tiến dao dọc;

3 chuyển động lùi dao huớng kính; 4 chuyển động lùi dao dọc về vị trí ban đầu;

5 chuyển động tiến dao huớng kính.

Muốn tạo ra và duy trì được quá trình cắt cần phải có các chuyển động:

- Chuyển động chính là chuyển động tạo ra tốc độ cất VR c R Hướng

của vectơ tốc độ cắt được gọi là hướng cắt Khi tiện, chuyển

động chính là chuyển động quay tròn của phôi (hình 1.1), hướng cắt là hướng tiếp tuyến với phôi Khi phay, khoan, khoét, doan, chuyển động chính là chuyển động quay tròn của dao Khi bào, chuyển động chính là chuyển động tịnh tiến của dao bào

- Chuyển động chạy dao là chuyển động duy trì cho quá trình cất

diễn ra liên tục nhằm cất hết bề mặt cần gia công

Khi tiện chuyển động chạy dao dọc hoặc ngang do bàn xe dao (hoặc bàn dao dọc trên) hoặc bàn dao ngang thực hiện Khi phay, bào, mài chuyển

động tiến dao do bàn mày mang phôi thực hiện

Tổng hợp chuyển động cắt VR c R và chuyển động tiến dao VR S R được gọi là chuyển động tác động VR e R Hướng của vectơ VR e R gọi là hướng tác động

Các chuyển động trên đây tham gia trực tiếp vào quá trình tạo phoi Để thuận tiện cho việc nghiên cứu quá trình tạo phoi, người ta đưa ra một số khái niệm sau đây:

- Mặt phẳng làm việc PR lv R là mặt phẳng chứa vectơ tốc độ cất VR C R

và vectơ tốc độ tiến dao VR S R

- Mặt phẳng đáy PR đ R là mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng làm

việc PR lv R

- Góc hướng cắt θ là góc tạo thành giữa vectơ tốc độ cắt VR C R và

vectơ tiến dao VR S R (hình 1.2)

Căn cứ vào góc hướng cắt θ người ta chia tất cả cá phương pháp gia công cất gọt bằng dụng cụ cắt có lưỡi thành hai nhóm:

θ = 90° = hằng số Huớng tiến dao

V e

V S

V C Huớng cắt Huớng tác động

Mặt phẳng làm việc

Huớng cắt Huớng tác động

Huớng tiến dao

(a)

0 ° < θ < 90°

Mặt phẳng làm việc (b)

Hình 1.2: Động học của quá trình tạo phoi khi tiện và phay

a tiện tiến dao dọc; b phay bằng dao phay trụ

+ Nhóm có θ = 90P

o

P

bằng hằng số gồm các phương pháp tiện, bào, xọc, khoan, khoét, doa, chuốt

+ Nhóm có θ khác hằng số bao gồm phay, cưa vòng, mài

b Chuyển động phụ:

Ngoài chuyển động chính còn có các chuyển động phụ như chuyển

động tiến dao hướng kính 5, chuyển động lùi dao hướng kính 3, chuyển động

lùi dao dọc về vị trí ban đầu 4 (hình 1.1) Các chuyển động này nhằm chuẩn bị cho lần cất tiếp theo do người công nhân thực hiện bằng tay hoặc cho máy chạy tự động

c Các bề mặt trên chi tiết gia công:

Trên vật đang gia công (chi tiết gia công) có ba mặt sau:

- Mặt chưa gia công là bề mặt mà dao chưa đi qua và sẽ được gia

công đến

- Mặt đang gia công: là bề mặt đang tiếp xúc trực tiếp với lưỡi

cắt của dao và đang được gia công

- Mặt dã gia công: là bề mặt mà dao đã đi qua sau khi gia công

Mặt chua gia công Mặt đang gia công Mặt đã gia công

Hình 1.3 Các bề mặt trên phôi khi tiện

1.1.2 Cấu tạo dao:

Các loại dao tiện, phay, bào, khoan, khoét doa đều có phần cất tương tự nhau Do đó chúng ta chỉ cần khảo sát kỹ dao tiện Dao tiện gồm hai phần: phần thân dao và phần cất:

Phần cắt trực tiếp tham gia vào quá trình cắt (quá trình tạo phoi), do

đó có các yêu cầu riêng về mặt kết cấu và vật liệu

1

2

5 6

7 8 9 10

1 mặt sau phụ; 2 luơĩ cắt phụ; 3 mặt truớc;

4 huớng tiến dao; 5 thân dao; 6 mảnh cắt quay;

7 luơĩ cắt chính; 8 mặt sau chính; 9 mũi dao; 10 tấm đệm

Hình 1.4 Dao tiện sử dụng mảnh cắt quay

Trước đây phần cắt được chế tạo liền với thân (ví dụ dao cắt đứt bằng thép gió) hoặc chế tạo rời rồi hàn vào thân dao, sau đó được mài để tạo thành các góc của dao không đảm bảo chính xác ảnh hưởng đến tuổi bền của dao, năng suất và chất lượng gia công

Ngày nay để giảm thời gian tháo lắp và mài dao, đồng thời để sử dụng

được phần cắt có kết cấu tối ưu, người ta chế tạo phần cắt dưới dạng các mảnh cắt quay tiêu chuẩn có nhiều lưỡi cắt khác nhau từ vật liệu làm dao Các mảnh cắt quay được kẹp chặt bằng vít trên thân dao Khi lưỡi cắt bị mòn người ta tháo vít kẹp chặt, quay mảnh cắt để đưa lưỡi cắt khác vào sử dụng Khi tất cả các lưỡi cắt của mảnh cắt quay bị mòn sẽ thay mảnh cắt quay khác

a Các bề mặt của phần cắt:

Phần cắt của dao được tạo thành từ các mặt sau (hình 1.5):

- Mặt trước là bề mặt tiếp xúc với phoi Trong quá trình cắt, phoi

trượt trên mặt trước để thoát ra ngoài, do đó gây ra hiện tượng mòn trên mặt trước của dao

- Mặt sau chính là bề mặt đối diện với bề mặt đang gia công của

chi tiết mới Một phần của mặt sau chính luôn tiếp xúc với bề mặt đang gia công của phôi do đó gây ra hiện tượng mòn mặt sau của dao

- Mặt sau phụ là bề mặt đối diện với bề mặt đã gia công của chi

tiết Phần cắt của dao có thể có một mặt sau phụ (dao tiện ngoài) hoặc hai mặt sau phụ (dao tiện cắt đứt)

Mặt truớc Phần cắt

- Lưỡi cất chính là giao tuyến mặt trước và mặt sau chính Lưỡi

cắt chính có vai trò chính trong quá trình cắt

- Lưỡi cắt phụ là giao tuyến giữa mặt trước với mặt sau phụ Một

phần của lưỡi cất phụ (phần nối tiếp với lưỡi cắt chính) tham gia vào việc hình thành bề mặt gia công trong quá trình cắt

- Mũi dao là phần nối tiếp giữa lưỡi cất phụ và lưỡi cắt chính Tuỳ theo vị trí của lưỡi cất chính mà người ta chia ra dao tiện phải và dao tiện trái (hình 1.6)

c Các góc của dao:

Tiết diện chính là tiết diện tạo bởi mặt phẳng đi qua một điểm của lưỡi cắt chính và vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt đáy (hình 1.7)

Các góc đo trong tiết diện chính được gọi là góc chính

- Góc trước chính γ tại một điểm của lưỡi cắt chính là góc nhọn

tạo bởi mặt trước chính và mặt đáy Góc trước γ càng lớn phoi thoát càng dễ

Hình 1.7 Các góc của dao trong tiết diện chính

- Góc sau chính α tại thời điểm của lưỡi cắt chính là góc nhọn tạo

bởi mặt sau chính và mặt phẳng cất Góc sau α càng nhỏ ma sát giữa mặt sau với mặt đang công càng lớn

- Góc sắc β tại một thời điểm của lưỡi cắt chính là góc nhọn tạo

bởi mặt trước và mặt sau Góc sắc β càng nhỏ quá trình tạo phoi càng dễ nhưng dao yếu và chóng mòn

- Góc cắt δ tại một thời điểm của lưỡi cắt chính là góc giữa mặt

* Yêu cầu đối với vật liệu làm dao:

Vặt liệu làm dao cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Độ cứng: muốn cắt được, vật liệu làm dao phải có độ cứng lớn

hơn độ cứng vật liệu gia công Chọn độ cứng của vật liệu làm dao phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công

- Độ bền cơ học: khi làm việc phần cắt chịu tải trọng cơ học lớn,

vì vậy vật liệu làm dao cần phải đảm bảo độ bền và độ dai va

đập

- Tính chịu mài mòn: Khi cắt, phoi trượt trên mặt trước của dao,

bề mặt đang gia công luôn tiếp xúc và có chuyển động tương

đối đối với mặt sau của dao Do đó, vật liệu làm dao phải có tính chịu mài mòn cao

- Độ bền nhiệt là khả năng giữ được độ cứng, độ bền cơ học, tính

chịu mài mòn ở nhiệt độ cao Do ma sát tiếp xúc và quá trình biến dạng nên ở vùng cắt có nhiệt độ cắt rất cao, vì vậy vật liệu làm dao cần có độ bền nhiệt cao

- Tính công nghệ được đặc trưng bằng khả năng khó hay dễ gia

công bằng các phương pháp gia công thường như cắt gọt (để tạo hình), khả năng nhiệt luyện, tính hàn… Vật liệu làm dao cần phải đảm bảo tính công nghệ để dễ chế tạo

* Các loại vật liệu làm dao:

Hiện nay người ta thường sử dụng cấc loại vật liệu làm dao sau đây:

- Thép gió: thép gió là thép hợp kim có hàm lượng vonfram rất

cao (từ 0.9% đến 19%), ngoài ra còn có chứa các nguyên tố hợp kim khác như crôm (3.8% đến 4.6%), vanadi (1% đến 5.1%), coban (0% đến 10.5%), molipden (0% đến 8.6%) Thép gió làm việc được ở nhiệt độ 350° ữ 600°, thường được dùng làm các dụng cụ cắt như tarô, mũi khoan, dao tiện cắt đứt

- Hợp kim cứng: hợp kim cứng được chế tạo bằng phương pháp

luyện kim bột từ các loại bột cacbit vonfram (WC), cacbit titan (TiC), cacbit tântn (TaC) và bột coban (Co)

Hợp kim cứng có độ cứng, độ bền nhiệt, độ bền nén cao hơn nhưng có

độ bền uốn thấp hơn thép gió

Tuỳ theo thành phần hoá học mà mỗi loại hợp kim cứng có các công dụng cụ thể khác nhau Hợp kim cứng thường được dùng làm dao tiện để gia công các loại thép, thép hợp kim, gang…

- Vật liệu gốm: gồm có các loại gốm thuần tuý (>99.7% Al2O3),

gốm + ôxit (Al2O3 +ZnO2), gốm + cacbit (Al2O3 + TiC hoặc Al2O3 + WC) Gốm có độ cứng và độ bền nhiệt rất cao nhưng

độ bền uốn thấp Vật liệu gốm thường được dùng chế tạo các mảnh dao tiện tiêu chuẩn để gia công các loại gang, thép

- Nitritbo (BN): có độ cứng, độ bền nhiệt cao, thường làm dụng

cụ gia công các loại vật liệu có độ cứng cao như thép hợp kim cao, thép đã tôi Hiện nay người ta thường dùng nitritbo dưới dạng mạng lập phương thể tâm (CBN)

- Kim cương (Diamant) có độ cứng rất cao nhưng độ bền nhiệt và

độ bền uốn thấp Hiện nay chủ yếu người ta dùng kim cương nhân tạo được tổng hợp từ graphit ở áp suất và nhiệt độ cao (≈10000 atm và ≈2500 °C) ở dạng bột để chế tạo đá mài

Xu hướng nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu dụng cụ là người ta cố gắng tìm ra các loại vật liệu vừa có độ bền nhiệt, vừa có độ cứng và có độ bền uốn cao

Trong những năm gần đây, người ta thường sử dụng phương pháp phủ phần cắt của dụng cụ bằng các loại vật liệu có độ cứng cao, độ bền nhiệt cao,

hệ số ma sát nhỏ để nâng cao tuổi bền của dụng cụ, ví dụ phủ bằng cacbit titan (TiC)

có đường kính φ 0.1 ữ 80 mm, nhưng phổ biến nhất là để gia công những lỗ φ

≤ 35 mm Sở dĩ như vậy vì khi khoan lỗ lớn hơn trên vật liệu đặc yêu cầu phải

có công suất cắt rất lớn mà các máy khoan hiện nay chưa đáp ứng được vì không đảm bảo độ cứng vững

Khoan đạt độ chính xác thấp vì mũi khoan có các nhược điểm sau đây:

- Kết cấu mũi khoan chưa hoàn thiện, phần lõi giữa của mũi khoan nhỏ nên mũi khoan có độ cứng vững kém

- Phần cắt và phần chuôi của mũi khoan được chế tạo ở hai nguyên công khác nhau do đó giữa chúng có sự lệch tâm, khi khoan lỗ sẽ bị lay rộng

- Do không có đồ gá chuyên dùng nên khi mài lai hai lưỡi cất không

đều nhau, lực tác dụng dọc trục của mũi sẽ không đều làm cho lỗ khoan bị cong hoặc lệch đi (chi tiết đứng yên) và lỗ thường bị loe khi chi tiết quay (gia công trên máy tiện)

Do các tồn tại trên nên khoan chỉ đạt độ chính xác thấp (cấp 12 – 13,

Ra = 3.2 ữ 12.5 àm)

1.2.1.2 Đặc thù riêng của khoan so với tiện:

Quá trình khoan xảy ra về nguyên tắc cũng giống như quá trình tiện, tuy nhiên giữa tiện và khoan còn có những điểm khác nhau sau:

- Góc trước ở tâm mũi khoan nhỏ và có giá trị âm ở lưỡi cắt

ngang làm cho biến dạng của phoi tăng, lực ma sát tăng, do đó nhiệt ở vùng cắt tăng

- Góc phụ sau ở lưỡi cắt bằng 0 làm cho ma sát trong quá trình

khoan tăng

- Dao khoan trong quá trình cắt luôn luôn tiếp xúc với phoi và bề

mặt gia công làm cho điều kiện thoát phoi rất khó khăn Ngoài

ra, phoi khi đi ra khỏi lỗ gia công, lại ngăn cản dung dịch trơn nguội đi vào vùng cắt và làm giảm điều kiện thoát nhiệt

- Tốc độ cắt khác nhau ở các điểm của lưỡi cắt trong quá trình

khoan làm phức tạp thêm quá tr ình biến dạng của phoi và điều kiện thoát phoi ở mặt trước của dao

Chuyển động chính khi khoan là chuyển động quay của dao hoặc đôi khi là chuyển động quay của chi tiết, còn chuyển động chạy dao là dịch chuyển của dao hoặc chi tiết dọc theo tâm của dao

1.2.2.1 Công dụng: mũi khoan có các công dụng sau:

- Mũi khoan dùng để tạo lỗ thông hoặc lỗ tịt thô, dùng trong các mối ghép hoặc để tạo ren bằng tarô…

- Tạo lỗ cho các phương pháp gia công tiếp sau như khoả rộng lỗ, khoét, doa, truốt, mài lỗ …

1.2.2.2 Phân loại: Muĩ khoan có thể được phân loại dựa vào dạng

chuôi, số rãnh xoắn hay số me cắt

- Mũi khoan chuôi thẳng: loại này có chuôi trụ, chuôi này có thể có

đường kính khác với đường kính của phần làm việc của mũi khoan

- Mũi khoan chuôi côn: loại này có chuôi dạng côn thích hợp lắp trực tiếp vào lỗ côn trong trục máy, các áo hoặc hốc côn Chuôi côn nói chung có một cán truyền động

- Mũi khoan 2 rãnh xoắn: đây là loại thông dụng nhất để tạo lỗ

- Mũi khoan 3 rãnh xoắn: loại này thường dùng để mở rộng và sửa lỗ

đúc hay lỗ khoan Chúng không được dùng để tạo lỗ

- Mũi khoan 4 rãnh xoắn: được dùng để thay cho mũi khoan 3 rãnh xoắn Loại này có cấu trúc tương tự như loại 3 rãnh

- Mũi khoan thuận: đây là mũi khoan mà khi nhìn từ đầu mũi khoan thì chiều cắt là chiều ngược chiều kim đồng hồ

- Mũi khoan nghịch: đây là mũi khoan mà khi nhìn từ đầu mũi khoan thì chiều cắt là chiều thuận chiều kim đồng hồ

1.2.2.3 Cấu tạo mũi khoan:

Kết cấu chung của mũi khoa bao gồm 3 phần: phần làm việc, phần cổ

và phần chuôi

2ϕ

Chiều dài tổng thể

Phần sửa đúng Cổ

D Góc xoắn

Luỡi cắt chính Mép cắt

Đuờng kính khoảng hở

Rãnh thoát phoi

Hình 1.1: Cấu tạo chung của mũi khoan

- Phần làm việc: chia làm 2 phần, phần cắt và phần sửa đúng

+ Trên phần cắt có 2 lưỡi cất chính đối xứng nhau, hợp với nhau tạo thành góc 2ϕ ở đỉnh Có 2 lưỡi cắt phụ đối xứng nhau chạy dọc theo cạnh viền

và 1 lưỡi cắt ngang

+ Phần sửa đúng có nhiệm vụ sửa đúng kích thước của lỗ gia công, định hướng mũi khoan trong quá trình cắt, là phần dự trữ khi mài sắc lại mũi

khoan Trên phần sửa đúng có 2 rãnh xoắn để thoát phoi chính là mặt trước của mũi khoan

- Phần cổ: là phần tiếp nối giữa phần làm việc và phần chuôi Phần cổ có tác dụng thoát đá mài khi mài phần chuôi và phần làm việc, đồng thời là nơi để ghi nhãn hiệu của mũi khoan

- Phần chuôi: dùng để kẹp mũi khoan lên trục chính của máy khoan

1.2.2.4 Vật liệu làm mũi khoan:

Có hai dạng mũi khoan là mũi khoan nguyên và mũi khoan hàn Mũi khoan nguyên là mũi khoan được chế tạo toàn bộ cùng một loại vật liệu đồng nhất Các loại vật liệu hay được dùng để chế tạo mũi khoan nguyên là: thép hộp kim dụng cụ 9XC, thép gió và các hợp kim nhôm BK (BK6M, BK8, BK10M…)

Để chế tạo mũi khoan người ta có thể chia ra làm 2 phần được hàn với nhau, đó là phần đuôi và phần làm việc Mũi khoan dạng này có phần đuôi thường được làm bằng thép Cácbon Còn phần làm việc thường được làm bằng thép gió coban (Co>5%), thép gió vanadi (V>3%); thép hợp kim dụng cụ 9XC

Mũi khoan có gắn các mảnh hợp kim cứng thì thân của nó yêu cầu phải

được làm bằng thép P9, 9XC, 40X, 45X

1.2.3.1 Khoan lỗ đặc: khoan là phương pháp tạo lỗ từ phôi đặc trên

các máy khoan, máy tiện và máy phay vạn năng Khoan có khả năng tạo lỗ có đường kính: φ = 0.1 ữ 80 mm, tuy nhiên do độ cứng vững của mũi khoan kém nên người ta chỉ khoan lỗ đặc có đường kính nhỏ hơn

20 mm

1.2.3.2 Khoan mở rộng lỗ: khi khoan những lỗ có φ ≥ 20 mm lực cắt

dọc trục lớn, công suất máy yêu cầu lớn, các máy khoan không đảm bảo độ cứng vững, cho nên người ta phải dùng phương pháp khoan mở rộng lỗ nhiều lần bằng các mũi khoan có đường kính tăng dần, hoặc dùng mũi khoan có kết cấu đặc biệt để khoan lấy lõi

S

Hình 1.2: Mũi khoan có kết cấu đặc biệt để khoan lấy lõi

1.2.4.1 Quá trình tạo phoi: Trong quá trình cất gọt, phần cắt gọt của

dao (3) có hình dạng như một cái nêm Dưới tác dụng của lực (lực cơ học của máy) dao tiến vào phôI nên ứng suất bên trong kim loại làm cho lớp kim loại phía trước dao bị biến dạng đàn hồi, tiếp đến là biến dạng dẻo Khi dao tiếp tục tiến vào, ứng suất trong lớp cất vượt quá giới hạn bền của kim loại sẽ gây ra hiện tượng trượt phá huỷ làm cho lớp kim loại phía trước dao dịch chuyển theo các mặt gọi là mặt trượt tạo thành phoi

1 2 3

P

Hình 1.3: Quá trình tạo thành phoi

1- Phôi 2- Các phần tử của phoi 3- Dao

Quá trình tạo phoi liên quan trực tiếp đến lực cắt, nhiệt cắt, sự mòn dao, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công… Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động (hình sau), bao gồm:

V c Mặt phẳng truợt

2

3 4

Phoi

Dao

Phôi

Hình 1.4: Mô hình vùng tác động trong quá trình tạo phoi:

1- vùng biến dạng thứ nhất; 2- vùng ma sát thứ nhất;

3- vùng ma sát thứ hai; 4- vùng tách

1- Vùng biến dạng thứ nhất: là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao

được giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi Dưới tác dụng của lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo (còn gọi là vùng biến dạng dẻo thứ nhất) Khi ứng suất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện hiện tượng trượt và phoi được hình thành Trong quá trình cắt vùng tạo phoi 1 luôn luôn di chuyển cùng với dao

2- Vùng ma sát thứ nhất: là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước

1.2.4.2 Các dạng phoi: Tuỳ theo vật liệu gia công và điều kiện gia

công (chế độ cắt) mà tạo ra các dạng phoi khác nhau như: phoi vụn, phoi xếp, phoi dây

- Phoi vụn được tạo nên khi gia công vật liệu giòn như gang, đồng thau…

- Phoi xếp được tạo thành khi gia công kim loại có độ cứng trung bình với tốc độ cắt nhỏ Dạng phoi này thường là từng mảnh ngắn

- Phoi dây được tạo nên khi gia công thép có độ cứng thấp (đồng, chì…) với tốc độ cắt lớn Phoi tạo thành dây dài hoặc dây xoắn lò xo

a) b) c)

Hình 1.5: Các loại phoi

a) Phoi vụn; b) Phoi xếp; c) Phoi dây

1.2.4.3 Quá trình tạo phoi khi khoan:

Quá trình tạo phoi khi khoan có đầy đủ các đặc điểm, các dạng như các quá trình cắt gọt tạo phoi khác Ngoài ra, quá trình tạo phoi khi khoan còn có

đặc điểm riêng Do khoan là nguyên công tạo lỗ, do vậy đặc thù của nguyên công nên quá trình khoan khó thoát phoi hơn và do vậy cũng khó thoát nhiệt hơn

1.2.5.1 Quá trình mòn của dụng cụ cắt:

a Hiện tượng:

Khi cắt vât liệu, do ma sát giữa mặt sau của dao và bề mặt gia công, ma sát giữa phoi và mặt trước dao, tất cả đều diễn ra trong điều kiện rất khốc liệt: nhiệt cắt cao, áp lực lớn, bôi trơn hạn chế… mà dao bị mòn khốc liệt Tuỳ thuộc vào điều kiện cắt, vật liệu gia công và vật liệu dao mà dao bị mòn có thể theo các dạng như sau:

h s

l f

h s

l f

mà hiện tượng mòn dao nào đó xảy ra nổi trội hơn

Mòn theo mặt sau là dạng mòn thường gặp nhất, dễ xác định và dễ đo

Do đó mòn theo mặt sau được dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá mòn của dụng

cụ cắt

Một dụng cụ sau khi mài đem vào cắt có các giai đoạn mài mòn biểu thị trên hình 3:

Hình 1.7: Độ mòn dao theo thời gian

Từ đồ thị hình 3 ta nhận thấy đường cong có 3 đoạn:

- Từ O đến A: giai đoạn mài mòn chạy rà, đoạn này ứng với lúc bắt đầu làm việc Lúc này vì dao còn mới nên diện tích tiếp xúc giữa bề mặt gia công và mặt sau nhỏ nên mòn nhanh

- Từ A đến B: giai đoạn mòn ổn định, độ mòn tăng dần theo thời gian Tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau mà độ mài mòn tăng nhanh hay chậm Cùng một chế độ cắt, độ mòn tăng lên rất đều đặn nhưng rất chậm

- Từ B trở đi: độ dốc của đường cong tăng vọt, thể hiện mòn khốc liệt Từ thời điểm này, nếu tiếp tục sử dụng dao sẽ có ảnh hưởng lớn đến chất lượng gia công, mài lại dao sẽ lâu hơn, số lần mài lại sẽ giảm đi và do

đó tuổi thọ cua dao cũng giảm đi

b Cơ chế mòn:

Bản chất vật lý của mài mòn dao rất phức tạp và chưa được nghiên cứu

đầy đủ Có nhiều giả thuyết về vấn đề này, song có thể đưa ra một số giả thuyết giải thích cơ chế mòn như sau:

- Mòn do cào xước: Khi cắt với tốc độ cắt thấp, mòn chủ yếu do ma sát

giữa phoi và mặt trước của dao Trong vật liệu gia công có các phần tử

tạp chất là các nguyên tố hợp kim có độ cứng cao hơn so với vật liệu làm dao Do đó trong quá trình chuyển động tương đối giữa dao và phoi, giữa dao và bề mặt gia công, các phần tử tạp chất này sẽ cào xước các bề mặt của dụng cụ theo phương của chuyển động tương đối Quá trình cào xước xảy ra suốt trong quá trình cắt gây ra mòn của dụng cụ

- Mòn do dính: Trong quá trình cắt, nhiệt độ ở vùng cắt rất lớn làm cho

lực liên kết giữa các phần tử trong vật liệu làm dao giảm xuống, đồng thời do chịu 1 áp lực lớn, một số phần tử của vật liệu làm dao sẽ bám dính vào phoi và chuyển động cùng phoi làm cho bề mặt của dao sẽ mất

đi từng phần tử nhỏ của vật liệu dao Vì vậy mặt trước của dao bị lõm dần, có dạng hình lưỡi liềm, gây ra mòn theo mặt trước của dao

- Mòn do nhiệt: Trong quá trình cắt, nhiệt độ vùng cất rất lớn Nếu kéo

dài sẽ làm cho tổ chức kim loại của dụng cụ cất thay đổi, dẫn đến độ cứng vững của dụng cụ giảm xuống làm cho dụng cụ bị mòn nhanh

- Mòn do ôxy hoá: Trong quá trình cắt, nhiệt độ ở vùng cắt lớn, vật liệu

làm dao tiếp xúc với ôxy của môi trường dễ tạo nên lớp ôxit sắt Lớp này mỏng và giòn, dễ bong khỏi bề mặt của dụng cụ Quá trình này xảy

ra liên tục khi cắt, dẫn đến dụng cụ cắt bị mòn

- Mòn do khuếch tán: Khi cắt bằng dao hợp kim cứng và dao băng thép

hợp kim dụng cụ ở tốc độ cao, nhiệt cắt khoảng 1000ữ1100P

1.2.5.2 Quá trình mòn của mũi khoan:

Đối với mũi khoan, ngoài những dạng mòn như dụng cụ cắt nói chung, mũi khoan bị mòn theo các dạng sau:

- Mòn mặt trước

- Mòn mặt sau

- Mòn cạnh viền và mòn lưỡi cất ngang

Trong đó hiện tượng mòn mặt sau là dạng mòn chủ yếu Tuy nhiên mòn cạnh viền là nguy hiểm nhất, vì việc mài hết lớp mòn trên cạnh viền rất lâu so với việc mài khắc phục các dạng mòn khác

1.2.6.1 Nhiệt cắt và sự phân bố của nhiệt cắt:

Trong quá trình cắt, tai vùng biến dạng dẻo của kim loại, do có sự trượt giữa các nguyên tử phát sinh nhiệt tại vùng mặt trượt, lượng nhiệt này ký hiệu

là Q1 Do có sự chuyển động tương đối giữa phoi và mặt trước của dao nên xuất hiện lực ma sát và do đó sẽ phát sinh nhiệt, nguồn nhiệt này ký hiệu là Q2 Trong quá trình cắt cũng có sự chuyển động tương đối giữa mặt sau và bề mặt đã gia công nên cũng phát sinh nhiệt, ký hiệu là Q3 Đồng thời khi cắt phoi bị đứt ra thành từng đoạn nên cũng phát sinh nhiệt, ký hiệu là Q4

Tất cả các nguồn nhiệt Q1, Q2, Q3, Q4 một phần truyền vào phoi, một phần truyền vào chi tiết, một phần truyền vào dụng cụ cắt và một phần nhỏ truyền vào môi trường

Khi thí nghiệm tiện phôi thép 40X bằng dao hợp kim cứng T60K6, với chiều sâu cắt t = 1.5 mm; vận tốc vòng S = 0.12 mm/vòng, ta có đồ thị phân

bố nhiệt ở chi tiết, phoi và dao (coi như nhiệt toả ra môi trường không đáng kể) như sau:

0 100 150 200 250 20

40 60 80

Nếu gọi QR c R, QR d R, QR p R lần lượt là lượng nhiệt truyền vào chi tiết, dao, và phoi và không bỏ qua nhiệt lượng QR kk R truyền vào môi trường thì ta có tổng nhiệt lượng:

Q = QR c R+ QR d R+ QR p R + QR kk

Qua thực nghiệm người ta xác định được:

QR c R chiếm khoảng 4%

QR d R chiếm khoảng 15% - 20%

QR p R chiếm khoảng 75% - 80%

QR kk R chiếm khoảng 1%

1.2.6.2 Nhiệt cắt khi khoan:

Nói về nhiệt cắt khi khoan, ngoài những đặc điểm giống như các dao cắt thông thường khác, trong nguyên công khoan do đặc thù của nguyên công vùng gia công là vùng kín do vậy khó thoát nhiệt hơn

1.2.7.1 Thành phần dung dịch:

Trong gia công cắt gọt cơ khí có nhiều loại dung dịch trơn nguội khác nhau như: dung dịch nhũ tương, dung dịch dầu hạt cải, dung dịch êmunxi… Mỗi loại dung dịch, người ta lại pha chế đặc hay loãng tùy thuộc vào phương pháp gia công, vật liệu gia công để chúng có hiệu quả bôi trơn và làm nguội tốt nhất

Dung dịch trơn nguội được dùng khi tiến hành các thí nghiệm trong đề tài này là dung dịch êmunxi 5%

1.2.7.2 Tác dụng của dung dịch trơn nguội:

Như chính tên gọi đã thể hiện, các chất này phải là làm nguội vùng cắt, phải có khả năng bôi trơn và rửa, ngăn chặn sự mòn khuếch tán và dính bám

Đồng thời chúng không được có ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh Thực tế đã cho thấy rằng, khi sử dụng dung dịch trơn nguội tuổi bền của dụng

cụ và tốc độ cất cho phép tăng lên rõ rệt Hiệu quả của dung dịch trơn nguội phụ thuộc vào phương pháp tưới và thành phần của nó Ví dụ, khi gia công vật liệu có độ bền nhiệt cao sử dụng 10% êmunxi với 2% dầu lưu hoá cho phép tăng tuổi bền của dụng cụ lên hai lần so với dung dịch trơn nguội chứa 5% êmunxi

a Giảm nhiệt:

Tác dụng làm nguội của các chất dựa trên hiệu ứng trao đổi nhiệt, khi dụng cụ, sản phẩm và phoi nóng tới các nhiệt độ cao sẽ truyền một phần nhiệt lượng tới các lưỡi cất, chất làm nguội, hoặc khi sản phẩm gia công hay dụng

cụ, được làm nguội bằng chất làm nguội, thoát một phần luồng nhiệt ra khỏi vùng cất nhờ sự truyền nhiệt Ngoài ra, có thể làm nguội vùng cắt nhờ sự bay hơi chất làm nguội, diễn ra khi hấp thu nhiệt năng

Vì dung dịch trơn nguội ở dạng lỏng nên khi gia công dung dịch trơn nguội sẽ đi vào vùng cắt tải nhiệt ra khỏi vùng cắt Điều này theo như phân tích ở trên sẽ làm giảm tốc độ mòn của dao và từ đó nâng cao được tuổi bền của dao

Nhiệt độ vùng cắt giảm đi, nhiệt độ chi tiết gia công giảm đi cho nên làm giảm biến dạng nhiệt của chi tiết, tăng độ chính xác gia công

Ta biết rằng, trong quá trình gia công cắt gọt luôn xuất hiện ma sát giữa các bề mặt với nhau Đó là ma sát giữa phoi và mặt trước của dao, ma sát giữa mặt sau của dao và bề mặt đã gia công

Khi gia công có dung dịch trơn nguội sẽ làm giảm ma sát, mà ma sát chính là nguyên nhân chủ yếu sinh nhiệt độ ở vùng cắt, do vậy sẽ làm giảm nhiệt độ vùng cắt Giảm ma sát cũng đồng nghĩa với làm giảm tốc độ mòn của dao, tức là tuổi bền của dao được nâng lên

Mặt khác trong quá trình gia công, khi có dung dịch trơn nguội mà các cơ chế mòn của dao sẽ bị hạn chế rất nhiều, dao làm việc ổn định hơn và đo

đó làm giảm chiều cao nhấp nhô bề mặt chi tiết gia công

c Cải thiện khả năng làm sạch phoi (vụn) ở máy

Phoi vụn sẽ bị dung dịch trơn nguội giữ lại trên bàn máy và phoi vụn cực nhỏ (dạng bột) sẽ chảy theo dung dịch trơn nguội, làm sạch bàn máy

1.2.7.3 Các phương pháp bôi trơn làm nguội:

a Gia công khô:

Gia công khô là phương pháp gia công truyền thống Nó thích hợp cho sản xuất đơn chiếc và chế tạo sửa chữa vì không phải trang bị công nghệ thêm Tuy nhiên trong xu hướng công nghiệp hoá và hiện đại hoá, các dạng sản xuất hàng loạt, hàng khối chiếm số lượng chủ yếu thì người ta không sử dụng phương pháp này vì các khuyết điểm của nó:

- Nhiệt cắt cao do vậy làm dao chóng mòn, tuổi bền của dao thấp và do nhiệt độ cao gây ra biến dạng cho chi tiết gia công

- Độ chính xác gia công thấp

Từ các khuyết điểm trên dẫn đến khi gia công phải mất nhiều công sức

và thời gian để mài lại dao, thay dao, số lượng chi tiết không đạt yêu cầu tăng lên, hiệu quả sản xuất thấp Vì vậy người ta phải nghiên cứu công nghệ bôi trơn làm nguội trong gia công cơ khí

- Có tác dụng làm nguội, bôi trơn và dội rửa trong quá trình gia công

- Bảo vệ dụng cụ cắt, giảm tác dụng xấu của nhiệt cắt