Bài giảng nguyên lý cắt vật liệu gỗ

Để tạo điều kiện nâng cao năng suất quá trình xẻ, đồng thời hạn chế hiện tượng va đập và lực quán tính, người ta thường áp dụng nguyên lý đẩy gỗ liên tục và lưỡi cưa vừa chuyển động tị[r]

TS HOÀNG TIẾN ĐƯỢNG

BÀI GIẢNG

NGUYÊN LÝ CẮT VẬT LIỆU GỖ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

TS HOÀNG TIẾN ĐƯỢNG

Bài giảng

NGUYÊN LÝ CẮT VẬT LIỆU GỖ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

MỞ ĐẦU

Gia công vật liệu gỗ là quá trình gia công tạo ra sản phẩm từ vật liệu gỗ Những năm gần đây, công nghiệp gỗ Việt Nam đã và đang phát triển mạnh mẽ, phục vụ đắc lực cho công cuộc xây dựng và phát triển đất nước Cắt gọt gỗ được

áp dụng trong hầu khắp các lĩnh vực công nghệ chế biến lâm sản nói chung và đặc biệt trong chế biến gỗ bằng cơ giới Khoa học cắt gọt gỗ là căn cứ khoa học quan trọng trong việc thiết kế và cải tiến công cụ gia công gỗ Chất lượng và hiệu quả quá trình gia công cắt gọt ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng và hiệu quả của cả quá trình công nghệ sản xuất

Tài liệu được biên soạn theo đề cương môn học “Nguyên lý cắt gọt vật liệu gỗ” với mục đích sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành chế biến

gỗ, ngoài ra còn có thể dùng cho sinh viên các ngành khác tham khảo khi học tập và nghiên cứu về công nghệ vật liệu, thiết kế đồ mộc và nội thất

Trong quá trình biên soạn, được sự giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ trong

và ngoài trường Tôi xin trân trọng cảm ơn

Do điều kiện thực tiễn và trình độ có hạn, nội dung tài liệu không tránh khỏi thiếu sót, kính mong độc giả đóng góp ý kiến Thư góp ý xin gửi về theo địa chỉ: Bộ môn “Máy và thiết bị chế biến lâm sản”, khoa chế biến lâm sản, trường đại học Lâm nghiệp, Hà Nội

Chương 1 KIẾN THỨC CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU GỖ

1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Khái niệm, loại hình và phương pháp chế biến gỗ

Khái niệm chế biến gỗ: Như chúng ta đều biết, gỗ là loại thực vật tự nhiên

rất đa dạng và phong phú về chủng loại với các thông số, đặc điểm khác nhau, các vật dụng từ gỗ với những yêu cầu nhất định được con người sử dụng cũng muôn hình muôn vẻ Để tạo ra được các sản phẩm và vật dụng từ gỗ phục vụ trong sinh hoạt và lao động một cách phù hợp và có hiệu quả thì con người phải

sử dụng các công cụ tác động vào gỗ để làm thay đổi đi các thông số của gỗ như kích thước, đặc tính, Quá trình tác động để tạo ra các sản phẩm từ gỗ như vậy chính là quá trình gia công chế biến gỗ hay còn gọi là công nghệ gỗ Ví dụ: Từ cây gỗ ở rừng, con người dùng công cụ lao động để cưa cắt, bào gọt và đóng thành các sản phẩm đồ mộc như bàn, ghế, tủ Từ các nhận thức trên, chúng ta

có thể đưa ra khái niệm về quá trình gia công chế biến gỗ như sau: Chế biến gỗ (công nghệ gỗ) là tổng quát cả quá trình và phương tiện được áp dụng vào sản xuất để tạo ra được những sản phẩm từ gỗ theo mục đích và yêu cầu của con người đặt ra

Các loại hình chế biến gỗ: Cùng với sự đa dạng của các loại sản phẩm từ

gỗ, sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì loại hình gia công chế biến gỗ cũng rất phong phú, tuy nhiên thường căn cứ vào sự thay đổi của đối tượng gia công

do tác động của quá trình gia công chế biến để phân ra ba loại hình gia công chế

biến: chế biến cơ giới; chế biến hoá học; chế biến cơ- hoá

Chế biến cơ giới: Là loại hình gia công tạo ra sản phẩm từ gỗ bằng cách

chủ yếu làm thay đổi hình dáng, kích thước, còn bản chất hoá học, cấu trúc của

gỗ thì cơ bản không thay đổi Ví dụ: quá trình sản xuất đồ mộc, ván xẻ từ gỗ tự nhiên.v.v

Chế biến hoá học: Là loại hình gia công tạo ra sản phẩm từ gỗ mà trong

đó bản chất hoá học của gỗ đã bị thay đổi Ví dụ: quá trình sản xuất rượu, quá trình sản xuất giấy.v.v

Chế biến cơ- hoá: Là dạng gia công trung gian giữa gia công cơ giới và

gia công hoá học Ví dụ: sản xuất gỗ nhân tạo, quá trình gia công áp lực có ngâm tẩm, biến tính gỗ.v.v

Các phương pháp chế biến cơ giới: Loại hình gia công chế biến cơ giới

được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, tuy nhiên cho tới nay có bốn phương pháp được áp dụng chủ yếu là: phương pháp cắt gọt, phương pháp áp lực, phương pháp va đập và phương pháp tách chẻ

Phương pháp gia công bằng áp lực: Là phương pháp chế biến cơ giới mà

trong đó việc thay đổi hình dáng, kích thước của gỗ được thực hiện bằng áp lực nhưng không có sự phá huỷ liên kết giữa các phần tử vật chất gỗ Ví dụ: uốn gỗ, nén gỗ.v.v

Phương pháp gia công bằng tách chẻ: Là phương pháp chế biến cơ giới

mà trong đó việc thay đổi hình dáng, kích thước của gỗ được thực hiện bằng sự phá huỷ liên kết giữa các phần tử vật chất nhờ công cụ theo các lớp gỗ mà không phá huỷ liên kết theo một hướng định trước của con người Ví dụ: tước sợi gỗ.v.v

Phương pháp gia công bằng va đập: Là phương pháp chế biến cơ giới mà

trong đó việc thay đổi hình dáng, kích thước của gỗ được thực hiện bằng sự phá huỷ liên kết giữa các phần tử vật chất gỗ nhưng không theo hướng định trước của con người Ví dụ: nghiền, đập.v.v

Phương pháp gia công bằng cắt gọt: Là phương pháp chế biến cơ giới mà

trong đó việc thay đổi hình dáng, kích thước của gỗ được thực hiện bằng sự phá huỷ liên kết giữa các phần tử vật chất gỗ theo hướng định trước của con người nhờ công cụ cắt Ví dụ: bóc gỗ, lạng gỗ, bào gỗ.v.v.Gia công cắt gọt có thể là cắt gọt có phoi như xẻ, khoan và cắt gọt không có phoi như cắt, xẻ không răng, đột v.v

Ngoài ra còn có một số phương pháp gia công đặc biệt khác như cắt gỗ bằng tia laze, tách gỗ bằng từ trường , tuy nhiên các phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi Trong phạm vi giáo trình này, chúng ta chỉ nghiên cứu phương pháp gia công cắt gọt có phoi

1.1.2 Lịch sử phát triển của khoa học cắt gọt vật liệu gỗ

Nguyên lý cắt gọt gỗ là môn học cơ sở chuyên môn phục vụ chuyên ngành công nghệ chế biến lâm sản và một số ngành khác có liên quan tới gia công cắt

vật liệu gỗ, nó cung cấp những kiến thức về quá trình cắt gọt mà trong đó gỗ được coi là đối tượng chủ yếu, ngoài ra còn có gỗ nhân tạo cùng một số lâm sản ngoài gỗ Nhiệm vụ khoa học là nhằm cung cấp các kiến thức về dao cắt, các biểu hiện của các hiện tượng xuất hiện do tác động tương quan giữa dao và vật cắt Các tác động giữa dao và gỗ được thực hiện nhờ chuyển động từ các cơ cấu của máy, nhằm mục đích tạo ra sản phẩm theo yêu cầu, nói một cách khác môn học nguyên lý cắt gọt vật liệu gỗ nhằm nghiên cứu bản chất của các hiện tượng

xẩy ra do tác động tương quan giữa ba đối tượng dao cắt - Gỗ vật liệu gỗ - Máy

gia công gỗ, làm cơ sở khoa học cho quá trình xác lập chế độ làm việc, thiết kế,

cải tạo và sử dụng máy gia công gỗ Các kiến thức và quá trình cắt gọt gỗ được

áp dụng trong hầu khắp các lĩnh vực công nghệ chế biến lâm sản mà đặc biệt là chế biến gỗ bằng cơ giới, công nghệ vật liệu, thiết kế và gia công đồ gỗ Chất lượng và hiệu quả quá trình cắt gọt ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng và hiệu quả của các qúa trình cắt vật liệu gỗ

Thao tác cắt gọt gỗ vốn có từ lâu, song khoa học cắt gọt gỗ mới được phát triển từ nửa cuối thế kỷ 19 Người đặt nền móng cho vấn đề nghiên cứu cắt gọt

gỗ là Time (nhà khoa học người Nga), tuy nhiên khoảng gần 100 năm sau, đến giữa thế kỷ 20 khoa học cắt gọt gỗ vẫn là thời kì sơ khai Đến thập niên 40 thế

kỷ 20, do công nghệ chế biến gỗ phát triển đòi hỏi khoa học cắt gọt gỗ cần phải giải quyết nhiều vấn đề, từ đó khoa học cắt gọt gỗ đã thát triển theo nhiều hướng khác nhau và vào cuối thế kỷ 20 được mở rộng và đi sâu nhiều vấn đề của công nghệ gia công gỗ Trên thế giới, khoa học cát gọt vật liệu gỗ đã được nhiều nhà khoa học nổi tiếng dày công nghiên cứu Ở Việt Nam, các công trình nghiên cứu

về cắt gọt gỗ còn hạn chế, các nhà khoa học có nhiều công sức trong lĩnh vực này phải kể tới như Hoàng Hữu Nguyên, Nguyễn Văn Minh

Hiện nay, các hướng nghiên cứu chủ yếu được tập trung nhằm nâng cao

độ chính xác, chất lượng và hiệu quả quá trình cắt, mở rộng nghiên cứu các nguyên lý gia công và đối tượng cắt gọt mới

1.1.3 Khái niệm và phân loại cắt gỗ

(1) Khái niệm quá trình cắt gỗ

Khái niệm phôi, phoi: Phôi, phoi là hai thuật ngữ thường dùng khi mô tả

quá trình cắt Phôi là vật được gia công hay nói cách khác là vật đưa vào để thực

hiện cắt Phoi là một phần vật chất được cắt ra từ phôi sau mỗi lần cắt của dao Mục đích của quá trình cắt là phân chia phôi thành nhiều phần khác nhau, việc phân chia này thực hiện được nhờ sự tác động tương hỗ nhất định giữa dao cắt

và phôi Như vậy có nghĩa rằng nhờ vào dao cắt, dựa theo bề mặt định trước, phân chia mối liên hệ của gỗ trong phôi, từ đó nhận được sản phẩm có kích thước, hình dạng và độ thô bề mặt theo yêu cầu, quá trình công nghệ này được gọi là cắt gỗ Trong nhiều trường hợp, phôi được cắt đi một lớp phoi làm hình dạng thay đổi tương đối lớn để đạt được sản phẩm, như: cưa, phay, đánh nhẵn, khoan… Số ít trường hợp phoi cắt ra được dùng làm sản phẩm, như: bóc ván mỏng, tạo dăm… Cũng có trường hợp phoi được cắt ra là phế liệu như trường

hợp cưa xẻ, phay Từ đó cắt gọt được định nghĩa:

Quá trình cắt là một quá trình công nghệ, nhờ tác dụng trực tiếp của công

cụ mà phôi được phân chia nhằm tạo ra sản phẩm có hình dáng, kích thước theo yêu cầu của con người

Hình 1.1 Quá trình cắt

Trong thực tế sản xuất, mặc dù phương thức cắt gỗ không giống nhau, nhưng từ tổ thành của chuyển động cắt và hình dạng hình học của công cụ cắt thì lại có sự tương đồng, đều có thể xem là quá trình cắt tự do do một lưỡi dao cắt hình nêm và một chuyển động theo đường thẳng Phương thức cắt đơn giản nhất này ở một mức độ nhất định cũng phản ánh được quy luật của các phương thức cắt phức tạp khác

(2) Phân loại các dạng cắt gỗ

- Căn cứ vào phương cắt và cạnh cắt có thể chia thành hai loại: cắt 2 chiều (2D hay cắt vuông góc) và cắt 3 chiều (3D hay cắt nghiêng)

v

a c

a cắt hai chiềub cắt 3 chiều

- Căn cứ vào quan hệ giữa phương cắt, cạnh cắt với phương của sợi gỗ: Theo cách phân loại này, cắt gỗ có thể chia thành 3 dạng cắt cơ sở: cắt dọc, cắt bên và cắt ngang (hình 1.3) Ngoài ra trong thực tê còn có dạng cắt trung gian như cắt nửa bên, cắt nửa ngang

Cắt dọc: Cạnh cắt vuông góc với thớ gỗ, phương cắt song song với thớ gỗ Cắt ngang: Cạnh cắt và phương cắt cùng vuông góc với thớ gỗ

Cắt bên: Cạnh cắt song song với thớ gỗ, phương cắt vuông góc với thớ gỗ

Hình 1.3 Các dạng cắt gọt cơ sở

a) cắt ngang; b) cắt dọc; c) cắt bên

Có thể biểu thị: cắt dọc là “[90 - 0]”, cắt ngang biểu thị là “[90 – 90]”, cắt bên biểu thị là “[0 – 90]”

- Căn cứ theo số cạnh của mũi dao tham gia cắt: Theo cách phân loại này, quá trình cắt phân ra 3 dạng: Cắt hở, cắt kín và cắt nửa kín (hình 1.4)

Cắt hở (hình 1.5a): Là dạng cắt mà chỉ có một cạnh cắt tham gia quá trình cắt gọt, chiều dài của cạnh cắt không nhỏ hơn chiều rộng của phôi gia công, ví dụ: quá trình bào mà cạnh cắt lớn hơn bề rộng của phôi

Cắt kín (hình 1.4b): Là dạng cắt có ít nhất ba cạnh cắt tham gia quá trình cắt gọt, các mặt cắt tạo thành được khép kín, ví dụ: quá trình cưa, khoan lỗ, xoi rãnh.v.v

Cắt nửa kín (hình 1.4c): Là dạng cắt trung gian giữa hai dạng trên (có 2 cạnh tham gia cắt), ví dụ: quá trình cưa xẻ, xoi rãnh

Hình 1.4 Phân loại cắt theo số cạnh của dao tham gia cắt

quá trình cắt gỗ đòi hỏi ở mức độ sâu và cụ thể hơn, do vậy trong quá trình nghiên cứu về cắt gỗ người ta chia ra làm hai bước: bước thứ nhất là nghiên cứu cắt cơ bản, bước thứ hai là nghiên cứu cắt chuyên dùng

Cắt cơ bản: Bản chất của “dạng cắt cơ bản” là dạng cắt diễn ra trong điều

kiện được đơn giản hoá một số thông số có liên quan, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công việc nghiên cứu Những kết quả từ việc nghiên cứu ở dạng cắt cơ bản sẽ làm cơ sở để nghiên cứu các dạng cắt chuyên dùng Cắt cơ bản có các đặc điểm như sau:

- Quá trình cắt được thực hiện ở một cạnh của dao, dao có dạng hình nêm, các mặt giới hạn của dao xem như mặt phẳng, các thông số góc là cố định, độ dài cạnh cắt lớn hơn chiều rộng của phôi và chiều rộng của phoi

- Quĩ đạo thực là mặt phẳng, tốc độ ăn dao cố định, tốc độ cắt cố định và

có hướng vuông góc với cạnh cắt

- Hướng chuyển động và cạnh cắt của dao vuông góc hoặc song song với chiều thớ gỗ

- Chiều dày của phoi không thay đổi trong quá trình cắt

Cắt chuyên dùng: Là các dạng cắt được ứng dụng vào những trường hợp

gia công cụ thể, nhằm những mục đích công nghệ nhất định Ví dụ như cưa xẻ, khoan, phay, tiện gỗ.v.v Thường thì các dạng cắt gọt chuyên dùng sẽ diễn ra phức tạp hơn, các yếu tố liên quan tác động tới quá trình cắt cũng khác và nhiều hơn

1.2 Phân loại và cấu trúc hình học của dao cắt

1.2.1 Dạng hình học của mũi dao

Các loại dao cắt rất đa dạng song về mặt cấu tạo hình học của phần trực tiếp tham gia cắt gọt (mũi dao) của tất cả các loại dao đều có dạng hình học như nhau, chỉ khác nhau về trị số các thông số đặc trưng của chúng

Hình 1.5 Dạng hình học thô đại của mũi dao

Dạng hình học thô đại của mũi dao: Xét trường hợp cắt đơn giản như

hình 1.5

Giả sử có lưỡi cắt A chuyển động theo chiều tốc độ v để cắt phôi B tạo thành phoi C, mặt cắt oo1dd1, cạnh cắt ở đây là cạnh oo1, dễ dàng nhận thấy lưỡi cắt A có dạng hình nêm được giới hạn bởi 4 mặt phẳng và 5 cạnh Các mặt gồm: mặt trước 001bb1- mặt tiếp xúc với phoi C, mặt sau oo1aa1- mặt tiếp xúc với mặt cắt 001dd1, hai mặt còn lại oab và o1a1b1- gọi là hai mặt bên Các cạnh là giao tuyến của các mặt với nhau, gồm: cạnh cắt chính oo1- là giao tuyến giữa mặt trước và mặt sau, cạnh cắt bên trước ob, ob1- là giao tuyến giữa mặt trước và mặt bên, cạnh cắt bên sau oa, oa1- là giao tuyến giữa mặt sau và mặt bên Góc tạo bởi giữa mặt trước và mặt sau gọi là góc mài của lưỡi cắt, thường ký hiệu là 

Dạng hình học tế vi của mũi dao: Trên đây cho thấy khi xét mũi dao cắt

chúng ta xem nó là một đường giao tuyến giữa 2 mặt trước và mặt sau của dao, song trong thực tế mũi dao cắt không bao giờ là một đường mà nó là một mặt cong chuyển tiếp từ mặt sau lên mặt trước của dao cắt, điều đó không chỉ đúng sau khi dao cắt đã làm việc một thời gian mà ngay cả khi mới được mài xong, mặc dù trình

độ mài có tinh xảo đến mấy, đó là quan điểm hiện đại và đúng thực tế về mũi dao cắt Để biểu thị cho mặt cong của mũi dao cắt người ta đo đường bán kính tròn ở đầu mũi cắt, thường được ký hiệu bằng  và được tính bằng m, (hình.1.6)

A

B

C o

M

M



 b

a

n m

d c

o

Hình 1.6 Dạng hình học tế vi của mũi dao

Người ta chia phần tham gia cắt gọt của mũi dao cắt thành 3 phần như sau: Đoạn ab là mặt trước của dao cắt, điểm b là giao điểm của cạnh trước với đường bán kính hạ từ điểm o và vuông góc với cạnh trước của dao cắt tại b, đoạn de là mặt sau của dao cắt, điểm d là giao điểm của cạnh sau với đường bán kính hạ từ điểm o và vuông góc với cạnh sau dao cắt tại d, cung bd là mũi dao cắt

Với trình độ kỹ thuật và công cụ mài dao cắt hiện nay độ tù  nhỏ nhất có thể đạt được là 6 m Độ tù  là đại lượng có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình cắt gọt, cả về mặt động lực học, vật lý học và cả về mặt chất lượng gia công Bởi vậy đường bán kính  là đại lượng được đặc trưng cho khả năng cắt gọt của dao cắt Độ tù  tăng dần theo thời gian làm việc hay là quảng đường cắt gọt Theo Рыбанко, nếu mũi dao cắt lúc mới mài xong là 15 m, sau thời gian làm việc với quảng đường cắt là 1000m, với loại gỗ giẻ, độ tù đó sẽ tăng lên là

30 m, tức là chỉ tăng 15 m, công suất tiêu hao năng lượng cát tăng từ N=1,2

KW lên N=1,8KW Đồng thời với việc tăng công suất tiêu hao, chất lượng gia công cũng giảm rõ rệt, theo kết quả nghiên cứu của Х.М Камалидинова thì sau

30 phút xẻ gỗ độ nhấp nhô của ván xẻ tăng từ 400 m lên 600 m Tất nhiên ngoài vấn đề tăng lượng tiêu hao năng lượng, chất lượng gia công còn làm giảm năng xuất của máy, vì vậy việc tìm mọi cách để đảm bảo cho mũi dao cắt có độ sắc cao, tức là độ tù  nhỏ nhất trong suốt quãng thời gian gia công của dao cắt

là nhiệm vụ quan trọng

1.2.2 Phân loại dụng cụ cắt (dao cắt)

Ngày nay có rất nhiều dạng dụng cụ cắt gỗ khác nhau, do có nhiều dạng gia công, nhiều mặt hàng và hơn thế vật liệu cũng không dừng ở dạng gỗ tự nhiên, bởi vậy phân loại chúng một cách hợp lý tuyệt đối và đầy đủ là rất khó khăn Tổng thể có thể phân loại dao cắt vật liệu gỗ như trên hình 1.7

Hình 1.7 Phân loại dụng cụ (dao) cắt gỗ

Trong thực tế, việc phân loại dao chủ yếu theo công nghệ cắt, để trên cơ

sở đó có thể nghiên cứu trong mối quan hệ giữa dao và gỗ,chế tạo, chuẩn bị và

sử dụng, theo cách phân loại này, dao cắt được phân loại như sau:

- Lưỡi cưa là công cụ có dạng bản mỏng gồm nhiều lưỡi cắt-răng cưa, có dạng đĩa như lưỡi cưa đĩa, có dạng bản dài như lưỡi cưa sọc, cưa vòng

- Lưỡi dao thường có dạng bản hình khối, tiết diện ngang dạng hình thang

mà mũi nhọn của hình thang thường là cạnh cắt của dao, đường viền này của mũi dao cắt có thể là đường thẳng, đường cong hoặc đường gấp khúc Thường

có mấy dạng dao sau đây: Dao bào, dao phay, dao lạng, dao bóc, dao tiện

- Mũi khoan là một loại dao cắt dạng hình trụ, cạnh cắt gồm hai phía, phía đầu và cạnh bên, song phía chủ yếu là mặt đầu Trong quá trình hoạt động dao cắt - mũi khoan, chuyển động tròn xoay, chuyển động ăn dao thực hiện dọc trục dao để cạnh cắt mặt đầu thực hiện cắt, phoi tạo ra chuyển động dọc trục theo rãnh thoát phoi

- Dao phay là công cụ cắt có dạng hình khối, có thể có một hoặc nhiều cạnh cắt, tùy theo mối tương quan giữa dao và gỗ mà có dạng phay mặt đầu, phay cạnh bên tùy theo đường viền mũi cắt mà có thể tạo ra mặt phẳng, cong hay các rãnh

- Lưỡi xích có nhiều dạng, được dùng trong khâu cưa cắt ngang, đục lỗ Lưỡi xích là công cụ có nhiều cạnh cắt, chúng được gá vào các mắt xích, trong quá trình chuyển động của xích các cạnh cắt tiếp xúc với gỗ để thực hiện quá trình cắt gọt Tùy theo mối quan hệ giữa gỗ và chuyển động của xích mà có các dạng cắt gọt khác nhau: cắt ngang, cắt bên

- Công cụ mài và đánh nhẵn là tập hợp các tinh thể có cạnh sắc, liên kết với nhau nhờ chất kết dính Tùy theo nền và dạng kết dính mà có dạng băng nhám, đá mài

1.3 Vai trò của dao trong quá trình cắt

1.3.1 Quá trình tác động của dao vào gỗ

Để thực hiện được nhiệm vụ cắt, mũi dao trong quá trình chuyển động của

nó phải làm nhiệm vụ phá huỷ được mối liên kết các phần tử của phôi, phân ranh giới giữa phoi và thành phẩm, ranh giới đó chính là mặt cắt Chúng ta có thể chia quá trình tác động của dao vào gỗ thành 3 gia đoạn, (hình 1.8)

- Giai đoạn 1: Dao từ ngoài tiến vào với tốc độ v tới khi bắt đầu tiếp xúc với phôi (gỗ); phôi chưa bị biến dạng, trong gỗ chưa có ứng suất tác dụng

- Giai đoạn 2: Dao tiếp tục tiến vào với tốc độ v tới khi bắt đầu tách được phoi; biến dạng của phôi tăng dần, ứng suất tác dụng vào phôi tăng dần tới giá trị lớn nhất (bằng ứng suất phá hủy gỗ)

- Giai đoạn 3: Dao tiếp tục tiến vào phôi với tốc độ v tới khi kết thúc hành trình cắt; biến dạng của phôi ổn định, ứng suất tác dụng vào phôi ổn định

Hình 1.8 Quá trình tác động của dao vào gỗ

1.3.2 Qui luật phân bố ứng lực trong trong quá trình cắt

Hình 1.9 trình bày thời điểm khi mũi dao mới bắt đầu tiếp xúc với phôi

Kể từ trái sang phải, điểm n trên mũi dao là điểm xa nhất theo mặt phẳng nằm ngang, điểm n được gọi là điểm trước của mũi cắt Thời điểm mũi dao cắt ăn vào phôi gỗ và làm cho các thớ gỗ bắt đầu bị biến dạng, một phần vật chất bị nén, đồng thời chúng cũng tạo ra một phản lực chống lại sự di chuyển cuả dao Phản lực đó càng lớn khi dao ăn càng sâu vào gỗ cho đến lúc ứng suất do dao gây ra cân bằng với ứng suất phá huỷ thớ gỗ

Nếu dao tiếp tục

bị phá vỡ mối liên kết đầu

tiên Như vậy vai trò của

mũi cắt là tạo ra và giữ trong phôi ở mặt cắt một ứng suất tập trung đạt cường độ cao để phá huỷ mối liên kết của thớ gỗ, tách một phần ra khỏi phôi và giữ cho quá trình tách đó chỉ xẩy ra trong mặt cắt đó chứ không phải mặt nào khác

Hình 1.9 Ứng suất trong quá trình cắt

Nếu chúng ta lấy một lớp gỗ có chiều dày x, ở vùng tiếp cận chúng ta có

Từ công thức, chúng ta đưa ra kết luận sau:

- Ứng suất tại lớp gỗ tiếp cận mũi dao bao giờ cũng lớn hơn ứng suất lớp

gỗ ở xa mũi dao hơn

- Khi  tiến tới 0, tức là mũi dao càng sắc thì ứng suất  của dao tạo ra càng lớn, có nghĩa là gỗ càng dễ bị phá huỷ, mặt cắt dễ tạo ra, độ chính xác càng cao Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt gia công

- Góc d càng nhỏ thì  cũng càng lớn, càng dễ đạt đến giá trị ứng suất phá huỷ của gỗ, quá trình cắt gọt càng dễ

- Góc d càng nhỏ thì  cũng càng lớn, càng dễ đạt đến giá trị ứng suất phá huỷ của gỗ, quá trình cắt gọt dàng dễ

Từ những dẫn giải trên cho chúng ta thấy vai trò của mũi cắt mà đặc trưng

là độ tù  và góc mài  có vai trò rất quan trọng cả về mặt động lực học cả về mặt công nghệ gia công

1.3.3 Vai trò của dao trong quá trình cắt

Trong quá trình cắt, mũi dao có nhiệm vụ phân chia vật cắt, tạo ra mặt cắt, mặt trước đóng chức năng làm biến dạng và đào thải phoi Hai phần tử này của dao cắt đóng vai trò tích cực trong quá trình cắt, còn mặt sau không tham gia vào quá trình đó, không những thế nó còn tạo ra ma sát rất lớn giữa gỗ và dao, người

ta cho rằng mặt sau đóng vai trò thụ động trong quá trình cắt gỗ.

Hình 1.10 Vai trò mũi dao

Để thấy được vai trò của từng phần trong cấu trúc tế vi của dao cắt chúng

và vuông góc với cạnh sau dao cắt tại c, cung bc là mũi dao cắt

Như vậy rõ ràng rằng quá trình phân chia phôi và phoi theo mặt cắt không phải diễn ra theo một đường thẳng qua n mà mà chúng diễn ra trên một mặt cong

bd Tất nhiên mỗi một phần trên bề mặt dao đóng một vai trò khác nhau, hơn thế

sẽ có sự sai khác về vị trí của mặt cắt đó, chúng ta hãy phân tích điều đó trong mối quan hệ của mũi cắt tế vi của dao cắt với phôi gỗ

Xét hình 1.11, chúng ta thấy, nếu dao sắc tuyệt đối   0, mặt cắt sẽ hình thành tại điểm c - mũi cắt lý tưởng, nếu như vậy mặt cắt sẽ là mặt phẳng quỹ đạo của điểm c và như vậy chiều dày phoi sẽ là h song thực tế mũi dao cắt không như vậy mà mũi dao cắt bao giờ cũng là một mặt cong có bán kính   0, vì vậy mặt cắt

sẽ được hình thành tại điểm n - điểm tiếp xúc đầu tiên của mũi cắt với phôi, và chiều dày phoi lúc nay là hp, như vậy giữa mặt cắt của mũi dao lý tưởng và mặt cắt mũi dao thực đã có một khoảng sai số chiều dày là h – hp, điều này chính là nguyên nhân gây ra sai số mặt cắt do hiện tượng đàn hồi của gỗ, chúng ta thấy sau khi có sự phân chia điểm n, các phần tử gỗ phía dưới mặt phảng f-n, trong quá trình chuyển động của dao, chúng bị nén xuống tới vị trí thấp nhất, khi dao chuyển động, các phần tử gỗ bắt đầu đàn hồi trở lại với một lượng là (h – hp), song gỗ không là vật liệu có khả năng đàn hồi tuyệt đối, vì vậy chúng không thể trở về mức cũ mà chỉ dừng ở m-m, đó chính là mặt cắt thực của mũi cắt sau khi cắt

Hình 1.11 Ảnh hưởng của độ sắc mũi dao

Như vậy chiều dày phoi thực đạt được ở đây sẽ là:

ht = hp (1.5)

Trong đó: - hệ số co rút của phoi trong quá trình cắt

Bây giờ chúng ta xét mối quan hệ về vị trí mũi dao cắt với chiều dày phoi

Xét hình 1.12, trong quá trình cắt nào đó có hình thành phoi với chiều dày hp

(hình 1.12a), nếu chúng ta giảm dần chiều dày phoi hp đến một đại lượng ho nào

đó thì quá trình tạo phoi của quá trình cắt sẽ không còn, mặc dù trên lý thuyết vẫn

tồn tại, lực vẫn bị tiêu hao do ma sát giữa dao và gỗ, nó được tạo ra dưới áp lực

lớn, áp lực đó có thể tính được thông qua lượng đàn hồi của các phần tử gỗ bị nén

dưới dao, trong trường hợp này lượng nén Y được tính theo công thức sau:

Y= ho +  (1.6)

Nếu chúng ta giảm tiếp tục cho đến khi ho = 0, trong trường hợp này quá

trình cắt gọt cũng không còn, song lực ma sát giữa dao và gỗ vẫn còn, nhưng giá

trị lượng đàn hồi Y sẽ giảm nó chỉ bằng  (hình 1.12c) Rõ ràng rằng lượng tiêu

hao năng lượng sẽ ít hơn trường hợp (hình1.12b)

Từ những nội dung nêu trên chúng ta thấy trong cắt gỗ tỷ Error! và Error!

là rất quan trọng, ảnh hưởng tới động lực, khả năng tạo phoi và chất lượng mặt

cắt

Hình 1.12 Ảnh hưởng của độ tù mũi dao tới khả năng cắt phoi

1.4 Động học và động lực học quá trình cắt

1.4.1 Chuyển động trong cắt gọt

Trong quá trình cắt, công cụ cắt có hai dạng chuyển động cơ bản, một là chuyển động tịnh tiến như dao bào (hình 1.13a); hai là chuyển động quay tròn như dao phay (hình 1.13b)

phân lớp cắt gọt theo thứ tự mới có thể thỏa mãn yêu cầu công nghệ, lúc này yêu cầu công cụ cắt cắt đi một lớp phoi mỏng rồi lại quay về vị trí cũ, cho phôi hoặc dao cắt chuyển động theo chuyển động U vuông góc với hướng của chuyển động tịnh tiến V, sau đó dao cắt lại cắt thêm một lớp gỗ nữa Tiến hành lần lượt sẽ cắt hết phần gỗ cần cắt

Khi phay, chỉ nhờ vào chuyển động quay của dao phay thì chỉ có thể cắt đi một phần gỗ, để cắt hết một lớp gỗ, trong khi dao chuyển động quay cần làm cho phôi có chuyển động tương đối với dao theo hướng S Do đó có thể thấy, để hoàn thành một quá trình cắt gọt thông thường cần có hai chuyển động: chuyển động chính (chuyển động cắt gọt) và chuyển động phụ (chuyển động ăn dao)

Chuyển động chính: Từ phôi cắt đi một lớp phoi, từ đó hình thành bề mặt

mới cần có một chuyển động cơ sở, chuyển động đó được gọi là chuyển động chính (chuyển động cắt) So với chuuyển động ăn dao, chuyển động cắt thường

có tốc độ cao, công suất tiêu hao lớn Tốc độ của chuyển động cắt được biểu thị bằng V (m/s), thông thường chuyển động cắt do công cụ cắt hực hiện Chuyển động cắt có thể là chuyển động tịnh tiến cũng cú thể là chuyển động quay Khi chuyển động cắt là chuyển động quay, tốc độ chuyển động cắt được tính theo công thức:

6 104

.



 D n

(m/s) (1.7)Trong đó: V – tốc độ cắt, m/s;

D – đường kính của dao cắt, phôi hoặc bánh đà, mm;

n – tốc độ quay của dao cắt, phôi hoặc bánh đà, vòng/phút

Có một số loại công cụ cắt như phay định hình hoặc mũi khoan do các điểm trên lưỡi cắt có bỏn kính quay khác nhau dẫn đến vận tốc cắt của các điểm

đó không giống nhau, do vậy khi xác định vận tốc chuyển động chính cần tính toán ở điểm có trị số tốc độ lớn nhất

Chuyển động ăn dao: Chuyển động cần thiết làm cho phoi liên tục hoặc

từng bước được cắt ra từ phôi được gọi là chuyển động ăn dao Chuyển động ăn dao có thể được biểu thị khác nhau:

- Lượng ăn dao theo thời gian: Lượng dịch chuyển theo hướng chuyển động ăn dao trong một đơn vị thời gian của phôi hoặc dao cắt gọi là lượng ăn dao theo thời gian, kí hiệu U(m/phút)

- Lượng ăn dao theo vòng quay: Lượng dịch chuyển theo hướng chuyển động ăn dao trong một vòng quay hoàn chỉnh của phôi hoặc dao cắt, kí hiệu

Un(m/vòng)

- Lượng ăn dao theo hành trình: Lượng dịch chuyển theo hướng chuyển động ăn dao trong một hành trình chuyển động tương đối của dao và phôi, kí hiệu Ustr(mm/htr)

- Lượng ăn dao theo răng cắt: Lượng dịch chuyển theo hướng chuyển động ăn dao ứng với mỗi dao cắt, kí hiệu Uz(mm/răng)

Quan hệ giữa tốc độ ăn dao và lượng ăn dao của mỗi vòng quay hoặc mỗi dao cắt được tính theo công thức:

(m/phút) (1.8) Trong đó: z – số dao của lưỡi phay; số răng của lưỡi cưa đĩa; số răng của lưỡi cưa vòng khi bánh đà quay một vòng;

n – tốc độ quay của dao hoặc bánh đà (vòng/phút)

Chuyển động chính và chuyển động ăn dao có thể thay thế nhau tiến hành,

ví dụ khi bào, hoặc cũng có thể tiến hành cùng một lúc, ví dụ như khi phay Nếu đồng thời tiến hành thì sản sinh một chuyển động tương đối gọi là chuyển động cắt gọt thực Tốc độ chuyển động cắt gọt thực V’ là vectơ tổng của chuyển động chính và chuyển động ăn dao Ví dụ khi xẻ bằng cưa đĩa (hình1-16)

(1.9)

Hình 1.14 Chuyển động cắt thực

Đa số tốc độ chuyển động chính của quá trình cắt gỗ đều lớn hơn tốc độ chuyển động ăn dao rất nhiều, do đó có thể dùng chuyển động chính thay thế cho chuyển động cắt thực

Đa số bề mặt của dao đều do đường thẳng hoặc đường cong hình thành,

do đó đơn nguyên hình thành chuyển động cơ sở thường là chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay Bất kỳ một phương thức cắt gọt nào, cho dù phức tạp bao nhiêu, theo quan điểm của chuyển động cắt gọt thì các phương thức cắt gọt đều do số lượng và phương thức khác nhau của đơn nguyên chuyển động cơ sở

tổ thành Thường thấy các tổ hợp chuyển động như sau:

Cắt gọt chỉ do một chuyển động thẳng hình thành, ví dụ: bào, nạo;

Cắt gọt do hai chuyển động thẳng hình thành, ví dụ: cưa sọc;

Cắt gọt do một chuyển động quay và một chuyển động thẳng hình thành,

ví dụ: phay, khoan, cưa đĩa;

Cắt gọt do hai chuyển động quay hình thành, ví dụ: phay định hình

1.4.2 Các bộ phận tổ thành của dao và phôi trong quá trình cắt

Để nhận biết và nghiên cứu các đặc trưng và tham số hình học của dao cắt cần thiết phải định nghĩa cho các bộ phận của dao cắt và phôi Đối với phôi cắt gồm các bộ phận tổ thành sau đây:

- Bề mặt chờ gia công: tức bề mặt thuộc phần phoi sẽ được cắt tới;

- Bề mặt gia công: bề mặt mà lưỡi dao đang cắt, nó cũng là mặt phẳng hợp bởi cạnh cắt và véc tơ vận tốc chuyển động chính (V) Khi chuyển động chính là chuyển động thẳng, lưỡi cắt là đường thẳng thì mặt phẳng gia công và mặt đã gia công trùng nhau Khi chuyển động chính là chuyển động quay thì vị trí của mặt phẳng gia công sẽ thay đổi theo sự thay đổi vị trí của cạnh cắt

- Bề mặt đã gia công: bề mặt được hình thành sau khi phoi đã bị cắt đi

Ba bề mặt này trong quá trình cắt gọt sẽ thay đổi theo sự chuyển động tương đối của dao và phôi, có quá trình thì các bề mặt trên có thể trùng nhau

Hình 1.15 Góc độ và bộ phận tổ thành của dao khi chuyển động thẳng

1- mặt trước dao; 2 - mặt cơ sở; 3 - mặt cắt pháp tuyến; 4- mặt sau dao; 5 - mặt phẳng gia công

Hình 1.6 Góc độ và bộ phận tổ thành của dao cụ khi chuyển động quay

1- mặt phẳng gia công; 2- mặt cắt pháp tuyến;

3- mặt cơ sở; 4- bề mặt đã gia công

Mối quan hệ về chuyển động tương đối giữa dao và phôi cũng được thể hiện thông qua các mặt chuẩn: mặt cắt pháp tuyến và mặt cơ sở

- Mặt cắt pháp tuyến: là mặt phẳng song song với véc tơ vận tốc chuyển động chính (V) Và vuông góc với mặt phẳng cắt

- Mặt phẳng cơ sở: là mặt phẳng đi qua cạnh cắt và vuông góc với véc tơ vận tốc chuyển động chính (V), cũng là mặt phẳng đi qua cạnh cắt và vuông góc với mặt phẳng gia công Nếu chuyển động chính là chuyển động quay thì mặt phẳng cơ sở sẽ là mặt phẳng đi qua trục quay của công cụ cắt hoặc phôi

1.4.3 Tham số góc trong quá trình cắt gọt

Tham số góc trong quá trình cắt thể hiện quan hệ tương đối của phôi và dao cắt, khi xác định tham số góc của quá trình cắt gọt cần dựa vào các mặt phẳng tọa độ nói trên Các tham số góc của quá trình cắt thể hiện trên hình 1-16; 1-17; 1- 18

Góc trước : là góc hợp bởi mặt trước dao và mặt phẳng cơ sở, nó biểu thị

độ nghiêng của mặt trước dao với mặt phẳng cơ sở, chủ yếu ảnh hưởng đến sự biến dạng của phoi Khi mặt trước dao và mặt phẳng cơ sở trùng nhau góc trước bằng 0o, khi mặt trước chuyển động tương đối với mặt phẳng cơ sở thuận chiều kim đồng hồ thì góc trước có giá trị “+”, ngược chiều kim đồng hồ thì góc trước

có giá trị “-”

Góc sau : là góc hợp bởi mặt sau dao và mặt phẳng gia công, nó biểu thị

độ nghiêng của mặt sau dao với mặt phẳng cắt gọt, chủ yếu ảnh hưởng đến sự

ma sát giữa mặt sau dao và phôi

Góc mài : là góc hợp bởi mặt trước và mặt sau dao, nó phản ánh độ sắc

của dao

Góc cắt : là góc hợp bởi mặt trước và mặt phẳng gia công, biểu thị độ

nghiêng tương đối giữa mặt trước và mặt phẳng gia công Trong quá trình cắt gọt, góc cắt và góc trước có tác dụng như nhau, hay nói theo cách khác, nếu góc trước lớn thì góc cắt nhỏ

Hình 1.17 Quan hệ giữa góc sau dao cắt và góc sau qui ước

(a) cắt gọt theo chuyển động tịnh tiến; (b) cắt gọt theo chuyển động quay

Trong quá trình cắt thực tế, thông số góc của dao cắt chịu ảnh hưởng của các nhân tố như: chuyển động cắt, độ cao lắp đặt lưỡi cắt và sự hao mòn của dao cắt mà phát sinh thay đổi Ví dụ trên hình 1.17, sẽ phân tích sự ảnh hưởng của chuyển động cắt đối với dao cắt

Mặt phẳng tọa độ quyết định góc sau qui ước là mặt phẳng gia công, tức là mặt phẳng do véc tơ vận tốc chuyển động chính và lưỡi cắt hình thành Nếu dao cắt chỉ dựa vào chuyển động chính để hoàn thành quá trình cắt gọt (hình 1-16) vậy thì góc qui ước sẽ chính là góc làm việc; nếu dao cắt đồng thời dựa vào chuyển động chính và chuyển động ăn dao để cắt gọt gỗ thì do chuyển động tương đối V’ lệch so với chuyển động chính một góc c (c = arctgU/V) tương ứng với nó mặt phẳng cắt gọt mới cũng lệch so với mặt phẳng ban đầu một góc

c, do đó góc sau thực tế t =  - c (xem hình 1.17), góc này nhỏ hơn so với góc ban đầu

Thông thường vận tốc chuyển động chính luôn luôn lớn hơn vận tốc chuyển động ăn dao, c thường rất nhỏ ( < 1o), do vậy có thể sử dụng góc qui ước để thay cho góc làm việc Chỉ khi vận tốc chuyển động chính và vận tốc chuyển động ăn dao có giá trị sai lệch không lớn thì mới cần xem xét đến góc làm việc của dao cắt

1.4.4 Kích thước phoi cắt

Tham số kích thước hình học của phoi có thể phản ánh được tình trạng chịu lực của dao cắt và phoi Tham số hình học của phoi bao gồm chiều dày phoi

a và bề rộng phoi b Hai tham số này được xác định trên mặt phẳng cơ sở

Chiều dày phoi h (hình1.18): Chiều

dày phoi là khoảng cách giữa hai mặt cắt

liên tiếp nhau của các lần cắt, cũng là

khoảng cách của hai mặt gia công liên tiếp

Khi chuyển động chính là chuyển động

thẳng, tổ hợp xen kẽ thì chiều dày cắt gọt a

không thay đổi Khi chuyển động chính là

chuyển động quay, tổ hợp đồng thời thì

chiều dày cắt gọt sẽ thay đổi có thể tính theo

Trong quá trình cắt, góc φ thay đổi, do đó chiều dày phoi sẽ thay đổi theo

Bề rộng phoi b: Chiều rộng phoi cắt là hình chiếu phần làm việc của lưỡi

cắt trên mặt phẳng cơ sở Khi cắt gọt vuông góc thì bề rộng phoi chính là chiều dài phần làm việc của lưỡi cắt (hình 1.19)

Diện tích tiết diện phoi A: là diện tích hình chiếu của lớp phoi trên mặt cơ

sở, xác định theo công thức:

A = h.b (1.11)

Khi chuyển động chính là chuyển động quay thì độ lớn của diện tích tiet diện phoi sẽ thay đổi theo sự thay đổi của chiều dày phoi Trên thực tế quá trình cắt gọt gỗ, do sự biến đổi hình dạng của phoi, hình dạng của tiết diện phoi sẽ có

sự thay đổi, nhưng do lượng thay đổi này khá nhỏ do đó có thể dùng hình dạng danh nghĩa của tiết diện phoi để thay thế cho hình dạng tiết diện phoi thực tế, tức

là có thể dùng chiều dày, bề rộng và diện tích danh nghĩa của tiết diện phoi để thay thế cho chiều dày, bề rộng và diện tích phoi thực tế Thông thường chiều dày, bề rộng và diện tích này chính là chiều dày, bề rộng và diện tích của phoi

Hình 1.19 Chiều rộng phoi khi cắt thẳng, nghiêng trong các trường hợp cắt

1.4.5 Lực tác dụng giữa dao và gỗ

Khái niệm lực cắt, lực cản cắt: Trong quá trình cắt, để tách được phoi và

thắng được ma sát cần phải có lực Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình cắt có

ý nghĩa cả lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, đồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị, Dưới tác dụng của lực và nhiệt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ dao thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hoá lý thuyết quá trình cắt Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng cân bằng

Lực cắt sinh ra khi cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là hằng số mà biến đổi theo quãng đường của dao cắt.Theo cơ học, nghiên cứu về lực là xác định 3 yếu tố: điểm đặt lực; hướng (phương và chiều) tác dụng của lực; giá trị (độ lớn) của lực

Trong cắt gọt vật liệu gỗ, người ta gọi lực sinh ra trong quá trình cắt tác dụng lên gỗ là lực cắt, ký hiệu là P; còn lực có cùng độ lớn, cùng phương nhưng ngược chiều với lực cắt gọi là lực cản cắt, ký hiệu là P, Hay có thể nói phản lực của lực cắt gọt gọi là lực cản cắt, về phương diện đánh giá tính chất cắt gọt của vật liệu, lực này dễ kiểm tra nhất trong khi tiến hành cắt, hơn nữa có thể biểu thị rất rõ ràng bằng số liệu, do đó nó là một chỉ tiêu rất quan trọng Trong thực tế gia công cắt gọt gỗ, có lúc sử dụng một lưỡi cắt để cắt, ví dụ như lạng và bóc gỗ, nhưng đa số trường hợp cắt gọt là dùng nhiều lưỡi cắt, như gia công cưa, tiện, khoan… đối với những trường hợp này, muốn xác định được lực cắt gọt của từng lưỡi cắt là tương đối khó khăn, do đó đánh giá tính năng gia công cắt gọt gỗ không phải dùng lực cắt để đánh giá mà là dùng tiêu hao động lực và thời gian cắt gọt để đánh giá Do gỗ là vật liệu có tính dị hướng, các hiện tượng cắt gọt thay đổi theo phương hướng và vị trí cắt, phương pháp đánh giá này tuy đơn giản nhưng cũng không phải là không có khó khăn Theo sự phát triển nhanh chóng của các máy cảm ứng và kỹ thuật đo lường, hiện nay cho dù cắt gọt tốc độ cao với dao cắt gọt nhiều lưỡi cắt nhưng cũng có thể xác định một cách chính xác lực cắt đối với mỗi lưỡi cắt

Lực cản cắt là cơ sở đánh giá tính năng của vật liệu cắt, trong quá trình cắt gọt gỗ có tác dụng rất quan trọng Ví dụ, lực cản cắt gọt là nguyên nhân làm hao mòn dao cắt Theo sự gia tăng của nhiệt độ cắt gọt, tuổi thọ dao cắt bị rút ngắn đồng thời làm ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Lực cản cắt gọt là điều kiện

cơ sở để xác định thông số động lực đầu vào và thông số dao, do bộ phận tĩnh lực và động lực của lực cắt gọt đó bao hàm rất nhiều thông tin của quá trình cắt gọt, từ phương diện độ chính xác gia công và khả năng khống chế quá trình cắt gọt có thể thấy việc phân tích lực cản cắt gọt là rất quan trọng

Trong quá trình cắt gỗ, có các hiện tượng đồng thời sinh ra dưới đây: (1) Trong quá trình hình thành phoi phần vật liệu và bề mặt đã gia công trên phôi gần lưỡi cắt do dao cắt vào mà sinh ra hiện tượng biến dạng

(2) Do tác dụng của lưỡi dao sinh ra hiện tượng phoi thoát ra khỏi phôi

(3) sự tiếp xúc giữa mặt trước dao và phoi cùng với bề mặt đã gia công trên phôi và mặt sau dao sinh ra hiện tượng ma sát

Trong các hiện tượng trên, hiện tượng biến dạng biến dạng là quan trọng nhất, nó có thể tác dụng đến các hiện tượng khác Lực phân li gỗ không chịu ảnh hưởng của góc cắt và độ dày cắt gọt, chỉ chịu ảnh hưởng của độ sắc của lưỡi cắt Ngược lại lực biến dạng chịu ảnh hưởng của góc cắt và độ dày cắt gọt, có quan

hệ với độ sắc của lưỡi cắt Sau khi công cụ cắt cắt qua bề mặt đã gia công, do mặt sau dao tác dụng nén lên bề mặt đã gia công, làm cho bề mặt đã gia công có một lượng đàn hồi nhất định, tức là có một biến dạng hồi phục nhất định

Thông qua phân tích ở trên, trên lí thuyết có thể chia lực cắt gọt thành các lực biến dạng, lực phân li gỗ và lực ma sát, nhưng trên thực tế quá trình cắt gọt

gỗ lại rất khó có thể tách các lực này ra, do đó chúng ta thống nhất gọi chúng là lực cắt gọt, lực này chính là do lực phân li gỗ, lực ma sát cấu thành

Biến dạng và ứng lực trong quá trình cắt gỗ:

Khi lưỡi cắt tiếp xúc với phôi, căn cứ vào độ lớn của lực tác dụng, bộ phận tiếp xúc với lưỡi cắt của phôi xảy ra biến dạng Khi lực này tăng dần, phôi

bị lưỡi dao chia thành 2 bộ phận, lưỡi dao sẽ tiếp tục cắt vào phôi Phần bị cắt ra khỏi phôi chịu sự nén ép của mặt trước dao, lực cắt và lực uốn sinh ra biến dạng tạo thành phoi Trong quá trình cắt gọt, sự thay đổi về độ lớn, phương hướng tác dụng của lực cắt vào phôi phụ thuộc vào tính chất phôi (chiều thớ gỗ hoặc vòng năm), điều kiện của công cụ cắt (thông số hình học của lưỡi cắt và độ sắc của công cụ cắt, độ dày cắt, tốc độ ăn dao

Hình 1.20 thể hiện khu vực tác dụng chủ yếu của các loại ứng lực trong cắt

Hình 1.20 Các khu vực ứng lực khi cắt gỗ

1 – Khu vực tồn tại ứng lực tập trung sinh ra khi lưỡi cắt nén vào phôi

2 – Khu vực tồn tại ứng lực ma sát giữa mặt trước dao cắt và phoi

3 – Khu vực tồn tại ứng lực lực nén do phoi ở trên mặt trước dao bị uốn

4 – Khu vực tồn tại ứng lực kéo do phoi ở trên mặt trước dao bị uốn cong

5 – Khu vực tồn tại ứng lực ép hoặc kéo tác dụng theo hướng cắt gọt

6 – Khu vực tồn tại ứng lực cắt tác dụng vuông góc với hướng cắt gọt

7 – Khu vực tồn tại ứng lực nén cắt khi cắt với góc cắt lớn

8 – Khu vực tồn tại ứng lực uốn sinh ra khi cắt ngang làm uốn cong thớ gỗ

9 – Khu vực tồn tại ứng lực kéo cực đại khi cắt ngang tác dụng lên thớ gỗ

Phương pháp phân tích lức cắt:

Lực cắt gọt không phải là lực tác dụng tại một điểm hoặc một đường trên

lưỡi cắt mà là lực khi gia công tồn tại trên toàn bộ khu vực tiếp xúc giữa dao cắt

và phôi, có lúc còn kèm theo tác dụng của mômen lực nữa Tùy thuộc vào mục

đích nghiên cứu, sử dụng người ta có thể sử dụng các phương pháp phân tích lực

cắt khác nhau

Phân tích lực cắt theo các phương chuyển động của dao cắt:

Đây là phương pháp phân tích lực cắt phổ biến nhất, bởi vì phương các

chuyển động cắt là hoàn toàn xác định nên việc đo các thành phần lực cắt được

tiến hành dễ dàng Mặt khác từ

vận tốc chuyển động theo các

phương và lực cắt thành phần

tương ứng theo các phương đó ta

có thể tính được công suất cắt và

Hình 1.21 Phân tích lực trên mặt trước

F1- lực theo phương tốc độ cắt; F2- lực theo phương vuông góc

Phân tích lực thành phần: Mỗi lực thành phần được phân ra hai phương (phương vận tốc cắt- tiếp tuyến và phương vuông góc với vận tốc cắt - pháp tuyến)

Trong cắt hở (hinh1.22):

Hình 1.22 Sơ đồ tổng quát lực khi cắt hở

Vùng trực tiếp thực hiện cắt gọt của dao được phân ranh giới giữa 3 vùng: Mặt trước được giới hạn tại giao điểm của đường vuông góc kẻ từ tâm o lên cạnh trước của dao tại điểm b cho đến điểm a - điểm kết thúc mối liên hệ giữa mặt trước của dao với phoi Mặt sau được giới hạn tại giao điểm của đường vuông góc kẻ từ tâm o vuông góc với cạnh sau tại c cho đến điểm d - điểm kết thúc mối liên hệ giữa gỗ và dao tại mặt sau Phần cung bnc là mũi cắt

Hệ lực tác dụng giữa dao và gỗ khi cắt hở bao gồm 3 lực thành phần: Lực tác dụng trên mũi cắt Fm; Lực tác dụng trên mặt trước Ft; Lực tác dụng trên mặt sau Fs Phân tích lực trên các vùng theo phương cắt V, phương tốc độ đẩy U ta có:

Trong cắt kín (hinh1.23):

Hình 1.23 Sơ đồ tổng quát lực khi cắt kín

Đối với trường hợp cắt kín, ngoài các thành phần lực nêu trên còn có các thành phần lực khác, do mũi dao chuyển động trong môi trường bao kín, ta hãy lấy trường hợp phổ biến là xẻ dọc để xem xét, trong trường hợp này ngoài các thành phần lực nêu như cắt hở còn có 4 thành phần lực khác nữa, như vậy khi cắt kín chúng ta có bảy thành phần lực thành phần:

- lực tác dụng trên mũi cắt Fm;

- lực tác dụng trên mặt trước Ft;

- lực tác dụng trên mặt sau Fs ;

- lực tác dụng lên mũi cắt cạnh bên Fc;

- lực ma sát mặt bên của răng cưa Fr;

- lực ma sát của bản cưa Fb;

- lực ma sát của phoi trong hầu cưa Fp

Tổng hợp các lực thành phần trên các vùng theo phương cắt V, phương tốc độ đẩy U ta có các lực tổng hợp P và Q:

Trường hợp cắt ba chiều:

Phân tích cho mỗi lực thành

phần: mỗi lực thành phần được phân ra

ba phương (phương tiếp tuyến, pháp

tuyến và phương ngang) Ví dụ phân

tích lực trên mặt trước khi cắt 3 chiều

Phân tích lực cắt theo các mặt chịu tải:

Khi nghiên cứu bản chất động lực học của quá trình cắt, lực cắt còn được phân tích thành các lực thành phần theo các mặt chịu tải Trên bất kì mặt nào được xem xét, tại đó luôn tồn tại các thành phần cơ bản là áp lực và lực ma sát khi các đối tượng tác động với nhau, như vậy tổng hợp áp lực và lực ma sát trên

bề mặt nghiên cứu ta sẽ được tổng hợp lực tác động trên bề mặt đó

Ví dụ phân tích lực trên mặt

trước trong trường hợp bào tự do

trên hình 1-25 Trên mặt trước dao

có: áp lực ép trên mặt trước dao Nt;

lực ma sát trên mặt trước dao Fms

1.4.6 Tỷ suất lực, tỷ suất công và công suất

Tỷ suất lực cắt: Tỷ suất lực cắt là lực cắt tính cho một đơn vị diện tích tiết

diện ngang của phoi cắt, tính bằng N/mm2

Hình 1.24 Phân tích lực trên mặt trước

(khi cắt 3 chiều )

Hình 1.25 Phân tích lực trên mặt trước

- Khi cắt hở:

B h

P P P B h

P K

tb

s t m tb

h h

P P P p P P P B h

P K

tb

bd pd rd c s t m tb

k k

Tương tự người ta cũng có thể định nghĩa được khái niệm tỷ suất lực đẩy

Tỷ suất công cắt: Tỷ suất công cắt là công cắt hao tốn tính cho một đơn vị

thể tích phoi cắt, tính bằng N.m/m3

B h

P L B h

L P L B h

A K

tb tb

tb

.

N.m/m3 (1.16)Tương tự người ta cũng có thể định nghĩa được khái niệm tỷ suất công đẩy

Công suất cắt: Công suất cắt là đại lượng đặc trưng về năng lượng chi phí

cho quá trình cắt, được xác định dựa trên công và quãng đường hay lực và tốc độ

81 , 9 102

.

81 , 9 102

81 , 9 102

V P t

L h B K t A

Để xác định lực cắt ta có thể dùng nhiều phương pháp sau: Phương pháp

đo trực tiếp; Phương pháp xác định thông qua đo công suất cắt; Phương pháp tính toán theo công thức; Phương pháp tra bảng và biểu đồ

(1) Phương pháp đo trực tiếp lực cắt

Việc đo lực cắt được tiến hành bằng cách dùng dụng cụ đo trực tiếp xác định giá trị các thành phần lực cắt theo các phương chuyển động cắt.Tuú thuộc vào cấu tạo của thiết bị đo lực ta có thể xác định lực cắt qua độ lớn tức thời hay độ lớn cực đại của nó.Thiết bị đo lực cắt được chế tạo trên cơ sở nhiều nguyên lý: nguyên lý cơ học, nguyên lý thuỷ khí, hiệu ứng về điện, nguyên lý biến dạng dẻo

Dụng cụ đo lực cắt theo nguyên lý cơ học (hình 1.26):

Hình 1.26 Dụng cụ đo lực cắt dùng lò xo

1 – dao; 2 – lò xo; 3 - chốt tỳ;

4 - chốt quay của lò xo;

5 – cơ cấu kẹp dao;

6 - chốt quay của cơ cấu kẹp dao;

7 – thân; 8 – vít kẹp; 9 - đồng hồ so

Dụng cụ đo dựa trên nguyên lý đàn hồi của lò xo Dao 1 được kẹp trên cơ cấu kẹp dao 5 nhờ các vít 8; cơ cấu 5 và lò xo 2 có thể quay quanh các chốt quay tương ứng 4 và 6 của chóng gắn trên thân dụng cụ 7 Dưới tác dụng của lực cắt

Pz, dao và bộ kẹp 5 chuyển vị, độ lớn chuyển vị đọc được đo trên đồng hồ so 9

Từ độ lớn chuyển vị trên 9 ta suy ra được lực Pz nhờ bảng đối chiếu đã lập sẵn

Ưu điểm của dụng cụ đo này là đơn giản về kết cấu, dễ dàng sử dụng, nhưng có nhược điểm là độ chính xác thấp do có ma sát tại các khớp quay

Dụng cụ đo lực cắt theo nguyên lý thuỷ khí: Dưới tác dụng của lực cắt

trên đầu dụng cụ, chốt đỡ sẽ ép lên màn chắn tạo nên áp lực dầu có giá trị được ghi nhận trên áp kế, từ giá trị áp suất suy ra lực tác dụng trên đầu dụng cụ, sơ

đồ thiết bị như hình 1.27 Loại dụng cụ đo này có ưu điểm lớn là nhạy, độ chính xác cao, nhưng có nhược điểm là kết cấu phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiệt độ lớn

Hình 1.27 Lực kế theo nguyên lý thuỷ khí

Dụng cụ đo lực theo nguyên lý biến dạng

dẻo: Theo sức bền vật liệu, nếu có lực P tác dụng

lên quả cầu đường kính D, quả cầu sẽ ép lên bề

mặt vật liệu tạo biến dạng, khi bỏ tải trọng lực P,

do có biến dạng dư nên trên bề mặt tồn tại lõm cầu

có đường kính d Ta có thể thấy rằng giá trị d phụ

thuộc vào lực P, đường kính quả cầu cứng D và

tính chất vật liệu của bề mặt Với tính chất bề mặt

và đường kính quả cầu D cho trước ta lập được

mối quan hệ giữa d và lực P

Dụng cụ đo lực cắt bằng điện: Ngày nay các loại lực kế sử dụng rộng rãi

nhất là dùng các phần tử chuyển đổi từ các biến dạng cơ khí sang tín hiệu điện Nhìn chung, yêu cầu cơ bản của thiết bị: độ nhạy cao; độ cứng tĩnh và động cao; khi xác định các phân lực ít bị ảnh hưởng lẫn nhau; độ tuyến tính cao; tính ổn

định khi thời gian, nhiệt độ và độ ẩm thay đổi

Trong các máy đo lực thường dùng các loại cảm biến khác nhau, dưới đây

giới thiệu một số nguyên lý của thiết bị và một số loại loại cảm biến:

D

d

P

Hình 1.28 Nguyên lý biến dạng

Nguyên lý đo bằng cảm biến điện trở: Căn cứ vào sự thay đổi của

tải trọng làm cho điện trở của miếng cảm ứng thay đổi, sử dụng mạch điện tử kín xác định (hình 1.29) Phương pháp này khá đơn giản, rất thông dụng

Hình 11.29 Nguyên lý đo lực bằng cảm biến điện trở

Cảm biến điện trở dạng tiếp xúc: Loại cảm biến này hoạt động trên cơ sở

sự thay đổi điện trở khi một vật chịu tác dụng của ngoại lực, làm các phần tử vật chất gần nhau, mật độ tăng lên, khả năng truyền điện tăng lên, điện trở giảm Một trong những loại vật liệu đó là than, hình 1.30c Than được tạo thành những tấm dạng đĩa tròn hoặc chữ nhật 1, các tấm chồng lên nhau thành cột, giữa các tấm là những tấm kim loại hoặc giấy dẫn điện, hai phía trên và dưới là tấm ốp 2 và 3, chóng được nối với dây dẫn Tất cả được cách ly bởi những tấm cao su cách điện

4, được đặt trong hộp kim loại 5 Dưới tác động của lực P, các đĩa than bị nén, các phần tử than và đĩa tăng mật độ, làm thay đổi diện trở theo qui luật:

P K R

Ro - điện trở ban đầu

Đồ thị hình 1.30 a cho biết mối liên hệ giữa điện trở Rx, biến dạng đàn hồi

 với lực tác động P, đường 1, I ứng với số lượng 20 tấm, đường 2, II ứng với số tấm 10 và đường 3, III ứng với số tấm 5

Để tăng độ nhạy người ta dùng bộ cảm biến vi phân (hình 1.30b) , loại này cấu tạo từ 2 cột than, đầu ra được nối với hai nhánh kề liền của cầu Kiechop

Cảm biến điện trở tiếp xúc cấu tạo từ than có thể đạt điện trở suất r = 30 

100 .mm2/m, đường kính đĩa 5  10 mm, chiều dày từ 1  2 mm

Hình 1.30 Cảm biến điện trở tiếp xúc

Nhược điểm của loại cảm ứng này là tính không đồng nhất của điện trở ban đầu và sau khi tác dụng lực Tất nhiên điều này hạn chế phạm vi sử dụng khi trong hệ thống đo có đòi hỏi độ chính xác dưới 5% Cảm ứng loại này cũng có

độ nhạy cảm với nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng, điện trở cũng tăng theo

Cảm biến điện trở biến dạng (hình 1-31): Cảm biến này hoạt động trên cơ

sở thay đổi điện trở dây dẫn khi bị biến dạng Dây dẫn nhỏ,mỏng, tròn, song tôt nhất là dẹt, với vật liệu có hệ số đàn hồi  = 2,5 10-3, đường kính 0,015  0,016

mm, gắn trong màng mỏng cách điện, chúng được dán trên chi tiết đàn hồi nhờ keo đặc biệt Бф-2, БФ-4 hoặc 192 Т Khi dây biến dạng theo chiều dài với hệ số

L

L



thì điện trở dây dẫn sẽ thay đổi, dòng điện trong mạng cũng thay đổi theo

Độ nhạy cảm biến được xác định theo công thức 1.19

Với sợi Crom hệ số S = 2, với hỗn hợp sắt – bạc và cacbon thì S = 2,8

2,9, Kontan S = 2, hỗn hợp polantan S = 5,8 Điện trở cảm biến từ 100 1000

 Để tăng độ nhạy người ta dùng cảm biến bộ đôi và nối với cầu Kiechop

Hình1.31 Cảm biến điện trở biến dạng

Để tránh sự sai số do hiện tượng biến dạng theo chiều hướng tâm, gần đây người ta dùng cảm biến điện trở tiết diện ngang có dạng hình chữ nhật mỏng thay cho tiết diện ngang hình tròn

Như trên đã trình bày độ nhạy cảm của cảm ứng điện trở này phụ thuộc vào hệ số biến dạng  theo chiều dài của dây, vì vậy có thể xem đường đặc trưng của nó là tuyến tính, (hình 1-31c), tất nhiên là phải nằm trong khoảng biến dạng đàn hồi của vật liệu dây cảm biến

Nhược điểm cuả loại cảm biến điện trở biến dạng là dễ bị tác động của điện từ và nhiệt độ Để khắc phục các nhược đểm này người ta thường dùng cầu điện trở Kiechop, (hình 1.31b) có 2 cảm biến, được gắn ở hai vùng biến dạng ngược nhau (kéo và nén) hoặc lên hai chi tiết (1 biến dạng,1 không biến dạng) của cơ cấu, cùng với cuốn điện trở điều chỉnh, để có thể cân bằng cầu điện trở Kiechop trước lúc làm việc của cảm biến

Cảm biến áp điện: Cảm biến này dựa

trên nguyên tắc: Một số vật chất khi ở dạng tinh

thể là không có điện tích, như một số hợp chất

thạch anh, một số loại muối Titan, muối Bari,

Phốt phát Amoniac song khi có tác động cơ

học (kéo, nén hay chuyển vị) lên bề mặt của

chúng, sẽ có các điện tích chuyển động và tạo

ra hiệu điện thế, khi thôi tác động, vật chất trở

Trong các vật liệu trên một số loại thạch anh có nhiều ưu điểm hơn cả,

chúng không chịu tác động của nhiệt độ, độ cơ học cao, khả năng cách điện tốt,

(hình 1.32)

Cảm biến áp điện sử dụng các tinh thể không để ở dạng nguyên thể mà cắt

chúng thành tấm vuông hoặc tròn theo một số đơn vị chiều dày nhất định, (10

mm), gồm hai tấm 2, khi tác động một lực P, trên bề mặt đối diện xuất hiện các

điện tích, ở bề mặt này dán các tấm kim loại kèm dây dẫn điện 4 nối trực tiếp với

bộ phận đo lường, tất cả nằm trong khuôn 3 và được cách điện

Gọi q là lượng điện tích xuất hiện trên bề mặt của tấm và P là

lực tác dụng, ta có phương trình sau:

q = k.P (1.20)

Trong đó: k - môđun điện tích (culông/kilôgơram - C/kg)

P - lực tác dụng (nén), kg;

Hệ số k đối với vật liệu khác nhau là khác nhau và ngay cả đối với một vật

liệu tác động theo các chiều khác nhau, hệ số k cũng khác

Đối với Thạch anh k = 2.10-11 C/kg, với Titan bari k = 1 2 10-8 C/kg,

muối hạt k = 3.10-9 C/kg

Khi các tấm bị biến dạng, hiệu điện thế có thể tính theo công thức sau đây:

Trong đó: C - thể tích tĩnh điện giữa các tấm tinh thể, C = S /d ;

 - hệ số thẩm thấu điện tích của vật liệu các tấm c/.cm;

S - diện tích của tấm, cm2 ;

d - chiều dày của tấm, cm

Ưu điểm của loại cảm biến điện tích là trường của đại lượng đo được rất

lớn từ một phần trăm hec đến hàng chục kilôhec, độ nhạy cảm cao, vì vậy nó có

thể được dùng với chu kú tác dụng ngắn và tất nhiên là cả với chu kú dài

Nhược điểm của loại cảm biến này là đối với đại lượng đo được thường

rất nhỏ, vì vậy buộc phải thông qua bộ khuyết đại bán dẫn hoặc điện tử

(1.21)