Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Gia công cắt gọt máy công cụ Gia công cắt gọt thuật ngữ khái quát dùng để mơ tả q trình bóc lớp vật liệu chi tiết gia công (phôi) dụng cụ khác máy công cụ để nhận chi tiết có hình dạng, kích thước, độ xác độ nhám bề mặt theo yêu cầu kỹ thuật Thường phân chia loại sau: (i) Cắt gọt tạo hình dùng dụng cụ cắt gồm nhiều lưỡi cắt, dụng cụ có hình dáng định (ii) Q trình gia cơng tinh cào xước mài, nghiền, khơn (iii) Các q trình gia công tiên tiến phương pháp điện, hóa, nhiệt, sức nước, laser So với phương pháp khác Gia cơng cắt gọt có ưu điểm sau: - Độ xác kích thước cao Ví dụ trục khuỷu khơng thể chế tạo q trình dập thể tích đúc - Các q trình khác khó tạo chi tiết có đặc trưng hình học bên ngồi bên với góc sắc, thoải, lượn đặc biệt - Gia công cắt gọt thường kinh tế so với trình khác sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ - Chi tiết sau nhiệt luyện thường bị biến dạng cong vênh, phải thêm ngun cơng sửa tinh để đạt kích thước độ nhám yêu cầu Tuy Gia cơng cắt gọt có nhược điểm sau: - Tạo phoi vật liệu phế thải - Vì phải cắt bỏ lớp phoi nên tốn lượng, thời gian sức lao động nguyên cơng khác - Có bề mặt chi tiết bị giảm chất lượng Sơ đồ mô tả trình cắt gọt: BM Hàn & CNKL Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Máy công cụ TT gia công Kinh tế học Q trình gia cơng khí Cơ cấu Vật liệu dụng cụ DD trơn nguội Bề mặt tròn xoay Tiện Doa Khoan Gia công cắt gọt Gia công cào xước Các dạng bề mặt khác Liên kết Phay Bào Chuốt Cưa Giũa GCBR Mài Khn Đánh bóng Cạo Rời rạc Siêu âm Nghiền Đánh bóng Gia cơng tiên tiến Gia cơng hóa học Gia cơng điện hóa Mài điện hóa Cắt dây Laser Chùm tia điện tử Tia nước Phun nước phản lực Kiểu dụng cụ cắt khía cạnh quan trọng ngun cơng cắt gọt Máy để thực nguyên công cắt gọt gọi chung máy công cụ Cấu tạo đặc tính máy cơng cụ ảnh hưởng lớn đến nguyên công chất lượng sản phẩm, bề mặt độ xác Ngày với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, chế tạo trung tâm gia công máy cơng cụ linh hoạt điều khiển máy tính (CNC) có khả thực ngun cơng cách hoàn hảo Do nguyên nhân kinh tế kỹ thuật, số ngun cơng tạo hình khơng thể đáp ứng dù chế tạo trình cắt gọt, đúc, hàn, luyện kim bột hay gia công áp lực Từ năm 1950 trình gia cơng khí tiên tiến (khơng truyền thống) áp dụng ngày dần trở thành trình chế tạo chủ yếu BM Hàn & CNKL Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Trong phạm vi giáo trình đề cập đến trình chế tạo chi tiết truyền thống gia công cắt gọt máy công cụ Kiến thức thu dùng để đánh giá ưu hạn chế trình thiết bị chế tạo chi tiết cắt gọt, lựa chọn suất cao, giá thành hạ Chương I Những khái niệm I Sự tạo hình bề mặt gia cơng máy công cụ I.1 Các bề mặt gia công máy cơng cụ Bề mặt chi tiết máy, khí cụ dụng cụ đa dạng Trên máy công cụ, với trình cắt với dụng cụ cắt khác nhau, ta tạo bề mặt có hình dạng Có nhiều cách phân loại bề mặt gia công, song thuận tiện phân loại theo hình dạng bề mặt như: mặt phẳng, mặt trụ tròn khơng tròn, mặt tròn khơng tròn, mặt kẻ khai triển khơng khai triển, mặt cầu v.v… Có thể coi bề mặt chi tiết gia cơng quỹ tích đường sinh tạo hình chuyển động theo đường khác gọi đường BM Hàn & CNKL Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng chuẩn 1 a) b) c) 2 d) 1 e) f) Hình I -1: Các dạng bề mặt Mặt khác, tính bất biến hay biến đổi hình dạng đường sinh theo thời gian, mà phân loại bề mặt gia cơng thành ba nhóm: nhóm hai đường sinh, đường chuẩn khơng đổi; nhóm có đường sinh cố định đường chuẩn biến đổi; nhóm hai đường sinh, đường chuẩn biến đổi Ví dụ: mặt phẳng tạo hình đường sinh thẳng1 chuyển theo đường chuẩn thẳng (hình I – 1a); mặt trụ tròn tạo hình đường sinh thẳng di chuyển theo đường chuẩn tròn (hình I – 1b) đường sinh tròn di chuyển theo đường chuẩn (hình I – 1c); mặt thân khai (thuộc họ mặt kẻ khai triển) tạo hình đường sinh thân khai trượt dọc theo đường chuẩn (hình I – 1d) đường sinh thẳng trượt theo đường chuẩn thân khai (hình I – 1e); mặt tạo hình đường sinh thẳng di chuyển theo đường chuẩn tròn mà đường sinh ln ln hợp với đường trục qua tâm đường chuẩn góc khơng đổi (hình I – 1f) Thực ra, chi tiết gia cơng máy có bề mặt (viên bi), mà đa số phôi gia công giới hạn số bề mặt có đường chuyển tiếp chúng Toàn bề mặt chi tiết máy tập hợp bề mặt thành phần tạo có phân bố định Ví dụ: trục vít có nhiều đầu mối tập hợp mặt trụ xoắn phân bố đối xứng quanh trục (trục tâm trục vít) BM Hàn & CNKL Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy cơng cụ Nguyễn Đức Thắng Tóm lại, tạo hình dạng hình học đa số bề mặt chi tiết máy cách dùng đường sinh sau : (i) Đường sinh máy có chuyển động quay thẳng tạo như: đường thẳng, đường tròn hay cung tròn, đường xoắn mặt trụ (hoặc côn), đường xoắn Acsimét (ii) Đường sinh máy có chuyển động thẳng quay đơn giản không tạo như: đường parabol,đường hypecbol, đường elíp, đường xoắn logarit v.v Trong điều kiện gia công thực tế, không tồn đường gia công kể trên, mà chúng tạo tổ hợp chuyển động thẳng quay dụng cụ cắt phôi tạo thành Các chuyển động tương đối để tạo đường sinh đựoc gọi chuyển động tạo hình Nó chuyển động đơn giản (khi có chuyển động) phức tạp (gồm số chuyển động đơn giản kết hợp theo qui luật định) Hiện tồn bốn phương pháp tạo hình đường sinh như: chép hình, bao hình, theo vết (quỹ tích) tiếp xúc I.2 Phương pháp tạo hình bề mặt gia cơng I.2.1 Phương pháp chép hình Lưỡi cắt dao (còn gọi đường cắt) có dạng trùng với đường sinh bề mặt tạo hình Trong trình cắt, lưỡi dao ln tiếp xúc với bề mặt tạo hình.Ví dụ, để gia cơng mặt trụ tròn (hình I-2a) đường sinh chép lại hình lưỡi cắt, đường chuẩn tròn phơi quay tròn tạo Máy có chuyển động tạo thành, chuyển động quay tròn phơi Muốn cắt lượng dư gia cơng để chi tiết đạt kích thước cuối cần có chuyển động tiến dao ngang, gọi chuyển động điều chỉnh, khơng phải chuyển động tạo hình.Tương tự, trường hợp gia cơng bánh dao phay đĩa modun hình dạng lưỡi cắt dao trùng với profile rãnh răng-chính đường sinh Đường chuẩn thẳng phơi có chuyển động dọc trục tạo Máy có hai chuyển động tạo hình: chuyển động quay tròn dao phay chuyển động thẳng phơi Ngồi ra, để gia cơng rãnh kế tiếp, máy cần có chuyển động quay chu kỳ góc tương ứng với bước ăn khớp, chuyển động phân độ I.2 Phương pháp bao hình Lưỡi cắt chuyển động tạo nhiều bề mặt, đường điểm hình học ln ln tiếp xúc với bề mặt gia cơng Quỹ tích BM Hàn & CNKL Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng điểm (tiếp điểm) đường sinh bề mặt tạo hình (còn gọi hình bao lưỡi cắt) Bề mặt tạo hình khơng phụ thuộc vào hình dạng lưỡi cắt Hình I-2c sơ đồ gia cơng bánh theo phương pháp bao hình Lưỡi cắt có dạng Nếu truyền cho phôi chuyển động quay tương ứng cho chuyển động thẳng (cặp chuyển động tương đối nhắc lại ăn khớp truyền răng-bánh răng), lưỡi cắt có đường sinh (do tập hợp tiếp điểm tạo nên) hình bao lấy đường sinh bề mặt tạo hình Trường hợp cần có ba chuyển động tạo hình : Phơi quay, dao tịnh tiến dọc dao hay phôi dịch chuyển tịnh tiến dọc trục bánh I.2.3 Phương pháp theo vết (quỹ tích) Bề mặt tạo hình vết chuyển động lưỡi dao Đường sinh vết vạch mũi dao vạch Ví dụ, tiện trơn mặt trụ ( hình I – 2d ) khoan ( hình I– 2e ), đường sinh vết điểm A – mũi dao tiện Dao phơi có chuyển động tương đối cho đỉnh A lưỡi dao cắt tiếp xúc với đường sinh Đường chuẩn phôi hay dao quay tạo Máy có hai chuyển động tạo hình đơn giản I.2.4 Phương pháp tiếp xúc Trên sở đường sinh (hình I – 2f) đường tiếp xúc với hàng loạt (chuỗi) đường hình học phụ điểm cắt lưỡi BM Hàn & CNKL Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng cắt chuyển động tạo Hình I – 2: Các phương pháp tạo hình bề mặt Ngồi bốn phương pháp tạo hình bề mặt trên, mặt lý thuyết nhiều phương pháp tạo hình khác Cùng bề mặt tạo hình nhiều đường sinh khác nhau, ví dụ mặt hypebơlơid tròn xoay, mặt trụ tròn xoay (hình I – 3); Nhưng thay đổi vị trí tương đối đường sinh thẳng với trục quay ta có dạng bề mặt khác nhau: mặt hypebơlơid tròn xoay, mặt trụ tròn mặt côn BM Hàn & CNKL Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Hình I– 3: Các dạng đường sinh I.3 Các mặt vật gia công Trên bề mặt gia cơng (hình I-4) người ta phân biệt ba mặt: Mặt chưa gia cơng (1) –từ lớp kim loại cắt thành phoi Mặt gia công (2) – bề mặt phôi sau cắt lớp kim loại Mặt gia công (3) – bề mặt phôi nối tiếp mặt chưa gia công mặt gia cơng Trong q trình cắt, mặt gia công luôn tiếp xúc với lưỡi cắt dao BM Hàn & CNKL Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Hình 1-4 Các bề mặt chi tiết gia cơng I.4 Những phận dụng cụ Gia cơng cắt gọt máy sử dụng nhiều loại dụng cụ (dao) khác nhau: dao tiện, phay, bào, khoan, chuốt, doa v.v Song, tất loại dao đó, phân tích kỹ, thấy chúng dựa sở dao tiện Trên sở đó, suy rộng tất loại dao khác Về mặt kết cấu, dao tiện chia hai phần chính: phần đầu dao phần thân dao (hình I- 5) Phần đầu dao (còn gọi phần cắt, phần cơng tác hay phần làm việc), có mặt có lưỡi cắt Hình I – 5: Cấu tạo dao tiện Phần thân dao thường có tiết diện hình tròn, hay hình chữ nhật, dùng để gá dao lên bàn dao máy hay trục gá nhận chuyển động từ máy đến phần đầu dao Phần đầu dao mặt sau tạo nên: Mặt trước – mặt dao theo phoi ngồi q trình cắt Mặt sau – mặt dao đối diện với mặt gia công chi tiết BM Hàn & CNKL Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Mặt sau phụ – mặt dao đối diện với mặt gia công chi tiết Thông thường mặt dao nói mặt phẳng, giao tuyến chúng tạo thành lưỡi cắt dao Người ta phân biệt: Lưỡi cắt – giao tuyến mặt trước mặt sau Lưỡi cắt giữ nhiệm vụ cắt chủ yếu trình gia công Lưỡi cắt phụ – giao tuyến mặt trước mặt sau phụ Trong q trình gia cơng, phần lưỡi cắt phụ tham gia cắt Phần nối tiếp lưỡi cắt lưỡi cắt phụ gọi mũi dao Mũi dao nhọn (r = 0) có bán kính r (trị số bán kính mũi dao r vào khoảng 0,1 – mm) Chiều dài phần cắt (đầu dao) – khoảng cách từ mũi dao đến giao tuyến mặt trước thân dao (hình I -5) Đa số dao tiện có lưỡi cắt lưỡi cắt phụ (dao tiện ngoài, dao tiện lỗ, dao tiện mặt đầu v.v ); song có dao có lưỡi cắt hai lưỡi cắt phụ (dao tiện rãnh hay cắt đứt) có hai lưỡi (dao tiện ren tam giác có góc trước γ = 0, hướng tiến dao thẳng góc với đường tâm chi tiết gia công) Chú ý giao tuyến mặt trước với mặt sau (lưỡi cắt) khơng đường thẳng lý tưởng dù mài sắc đến đâu Thực tế chúng có dạng mặt trụ tròn với bán kính ρ (H.I.6) Trị số bán kính phụ thuộc vào vật liệu làm dao công nghệ chế tạo dụng cụ cắt, ρ nhỏ lưỡi cắt sắc Ví dụ: dao thép gió có ρ = (12-15) µm; dao hợp kim cứng có ρ = (10-20) µm Chiều dày lớp kim loại mà dụng cụ cắt phụ thuộc vào ρ Nếu chiều dày lớp kim loại định cắt nhỏ so với ρ khơng thể cắt mà bị trượt Hình I- 6: Bán kính lưỡi cắt I.5 Thơng số hình học dụng cụ cắt BM Hàn & CNKL 10 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng thay đổi thay đổi vật liệu gia cơng, thơng số hình học dụng cụ cắt chế độ cắt Ví dụ cắt dao tiện có φ =45 o, λ =0, γ =15o Px, Py, Pz có mối quan hệ sau: Px = (0,3÷ 0,4)Pz Py = (0,4÷ 0,5)Pz uu r ur Độ lớn P =(1,1÷ 1,18)Pz Góc hợp Pz & P xác định khoảng 25o÷ 40o VIII Sự mài mòn tuổi bền dụng cụ cắt VIII.1 Sự mài mòn dụng cụ Trong trình cắt, ma sát dao phoi, dao chi tiết gia công mà dao bị mài mòn, hình dạng đầu dao bị biến đổi, biến dạng dẻo, nhiệt, lực cắt bị thay đổi Sự mài mòn dụng cụ cắt mài mòn chi tiết gia cơng, khốc liệt nhiều, cắt, áp lực pháp tuyến lên chi tiết vượt q 100 MPa, dao lên đến 2000 – 3000 MPa Khi dao bị mài mòn đến giới hạn đó, tiếp tục cắt gây hậu như: làm giảm độ xác, độ bóng bề mặt gia cơng, suất gia cơng thấp, hao phí vật liệu làm dao lực cắt tăng, lượng tiêu hao lớn, dễ gây rung động Vì mòn dao vấn đề phức tạp quan trọng gia công cắt gọt VIII.1.1 Quá trình mài mòn dao Q trình mài mòn dao theo thời gian, nói chung chia ba giai đoạn biểu thị hình B Kx SKV h,mm KVF ht hs C A o Hình II-36.Các thông số mòn ợng mòn thời gian BM Hn & CNKL t,ph Hình II-37.Quan hệ l- 70 Trng HBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyn c Thng phần cắt dao Giai on u (OA), dao bị mài mòn nhanh, sau mài, lưỡi mặt dao khơng phẳng tuyệt đối (còn chỗ nhấp nhô), nên lúc đầu dao chi tiết tiếp xúc điểm, bị mài mòn nhanh Giai đoạn (AB), giai đoạn mài mòn ổn định (bình thường), tiếp xúc dao với chi tiết tiếp xúc đường mặt, nên tốc độ mài mòn tăng chậm theo thời gian Giai đoạn cuối (BC), giai đoạn mài mòn kịch liệt Vì lúc ma sát tăng lên mạnh, nhiệt độ cao, tổ chức kim loại bị thay đổi, độ cứng giảm xuống, nên bị mài mòn nhanh Khi bị mài mòn đến trị số hs định (điểm B), dao tiếp tục làm việc VIII.1.2 Các dạng mài mòn dao Tuỳ theo điều kiện cắt, tính chất vật liệu gia cơng vật liệu làm dao, dụng cụ cắt bị mài mòn theo dạng sau đây: (i) Mài mòn theo mặt sau Mài mòn theo mặt sau thường gặp vật liệu giòn với chiều dày bé (a 0,6 mm) Các yếu tố ảnh hưởng đến mài mòn mặt trước nhiệt độ giao diện dao-phoi với lực hóa học dao vật liệu gia cơng Thêm vào mòn theo mặt sau ảnh hưởng đến mòn theo mặt trước Chú ý nơi sâu “miệng núi lửa” nơi có nhiệt độ cao (800 1000oC) BM Hàn & CNKL 71 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng H×nh II-38: BM Hàn & CNKL 72 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn c Thng Hình II-39 Các dạng mài mòn phần cắt dơng (iii) Mài mòn đồng thời mặt trước mặt sau Dụng cụ bị mòn mặt trước mặt sau tạo thành lưỡi cắt Chiều rộng vát mặt trước giảm dần từ hai phía độ bền lưỡi cắt giảm Trường hợp xảy cắt vật liệu dẻo với tốc độ cắt không lớn lắm, chiều dày cắt a = (0,1 – 0,5) mm (iv) Mòn tù lưỡi cắt: Ở dạng dụng cụ bị mòn dọc theo lưỡi cắt, tạo thành dạng cung hình trụ Bán kính cong lưỡi cắt ρ tăng lên Dạng mòn thường xảy gia cơng vật liệu có tính dẫn nhiệt kém, đặc biệt gia công chất dẻo Do nhiệt cắt tập trung mũi dao nên dao bị tù nhanh Trong dạng mài mòn mài mòn theo mặt sau (hs) quan trọng dễ xác định Chiều cao mài mòn hs dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá lượng mài mòn Lượng mài mòn cho phép [hs] xác định phụ thuộc vào độ bóng độ xác gia cơng VIII.1.3 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt: Để xác định quan hệ thay đổi có tính quy luật mài mòn, trước hết phải nghiên cứu chế q trình mài mòn (i) Mài mòn cào xước (hạt mài) – Các hạt cứng vật liệu gia công phoi cào xước vào bề mặt tiếp xúc dụng cụ trình làm việc Khi cắt tốc độ thấp, chế mài mòn cào xước Các tạp chất có độ cứng cao vật liệu gia công chuyển động, cào xước bề mặt tiếp xúc dụng cụ tạo thành vết song song với phương phoi (ii) Mòn chảy dính – phần tử nhỏ dụng cụ q trình chuyển động bị dính vào chi tiết gia công phoi Do áp lực BM Hàn & CNKL 73 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng nhiệt độ cao bề mặt tiếp xúc chuyển động liên tục cắt làm dao bị mềm biến dạng dẻo Kích thước phần tử bị chảy dính vật liệu dụng cụ phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia cơng, vật liệu làm dao chế độ cắt Khi tốc độ cắt thấp (v ≤ 10 m/ph), kích thước khối lượng phần tử chảy dính bề mặt dụng cụ hợp kim cứng cao nhiều so với thép gió Còn tốc độ cắt cao, nhiệt cắt lớn bề mặt dụng cụ thép gió bị mòn nhiều so với hợp kim cứng (iii) Mòn khuếch tán – chuyển động nguyên tử qua giao diện dao-phoi Khi cắt nhiệt độ cao, áp lực lớn sau thời gian xảy tượng hòa tan lẫn vật liệu làm dao vật liệu gia công Kết phần vật liệu dụng cụ bị khuếch tán vào phoi chi tiết gia cơng Trong q trình cắt lượng vật liệu dụng cụ khuếch tán vào phoi chi tiết gia công lớn vài nghìn lần so với trường hợp tiếp xúc với trạng thái tĩnh Mòn khuếch tán xảy phụ thuộc vào vật liệu làm dao vật liệu gia công (HII-40) giới thiệu tổng quát kết cắt dụng cụ hợp kim cứng vật liệu với vùng mòn khác H×nh II-40.Cơ chế mòn phụ thuộc vào nhiệt độ 1.Thép 40 (HB180), 2.ThÐp CT5(HB150),3.ThÐp Cr-Mo(HB500550) (iv) Tróc (mẻ) – thuật ngữ dùng để mô tả mảnh nhỏ bị văng khỏi lưỡi cắt Các mảnh tróc nhỏ tương đối lớn Khác với mòn xảy từ từ, tróc xảy đột ngột làm thay đổi hình dạng gây nên hỏng bề mặt, độ xác chi tiết gia công BM Hàn & CNKL 74 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy cơng cụ Nguyễn Đức Thắng Ngun nhân gây tróc sốc học (va đập) mỏi nhiệt Các vết nứt nhiệt thường vng góc với lưỡi cắt (h20.18a Kal) Cấu trúc tế vi thành phần không đồng nguyên nhân gây tróc Tróc xảy nơi tồn sẵn vết nứt nhỏ khuyết tật Góc trước lớn gây tróc làm góc sắc nhỏ Hơn mòn mặt trước phát triển mũi dao gây tróc b, d, Hình II-41 Các tiêu đánh giá lợng mài mòn mặt sau mặt trớc a, Theo mặt sau chính; b, Mặt sau mặt trớc; c, Mặt trớc; d, MỈt sau phơ Tróc giảm cách chọn vật liệu làm dụng cụ chịu va đập có độ cứng nóng cao VIII.1.4.Tiêu chuẩn mài mòn dụng cụ Như nói, dao bị mài mòn đến giới hạn định phải đem mài lại Cho nên vấn đề đặt cần phải nghiên cứu tiêu chuẩn mài mòn dao cho hợp lý nhất, nghĩa phải xác định thời gian cần mài lại cho thích hợp để đảm bảo suất cao, chất lượng chi tiết gia công tốt, tiết kiệm vật liệu Trong kỹ thuật, người ta thường dùng số tiêu chuẩn để xác định độ mài mòn dao sau đây: (i) Tiêu chuẩn vết sáng Theo kinh nghiệm thấy rằng, gia công thép gang, bề mặt chi tiết gia công (chỗ tiếp xúc với dao) xuất vệt sáng hay điểm đốm sáng thấy độ bóng bề mặt gia cơng thay đổi chứng tỏ dao bị mài mòn Tiêu chuẩn có ưu điểm đơn giản, song có nhược điểm khó quan sát, vệt sáng hay đốm sáng khơng phải xuất BM Hàn & CNKL 75 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Mặt khác, cắt vật liệu khác dụng cụ cắt khác tượng thấy khơng xuất hiện, dao bị mài mòn Vì tiêu chuẩn sử dụng bị hạn chế (ii)Tiêu chuẩn lực nhiệt độ cắt Dùng dụng cụ, thiết bị để đo lực nhiệt trình cắt, thấy lực nhiệt độ tăng lên biết dao bị mài mòn Tuy nhiên, tiêu chuẩn sử dụng, dụng cụ thiết bị đo phức tạp Hơn nữa, dao chuyển động, lý mà q trình cắt khơng ổn định việc đo khó khăn khơng xác Ngồi ra, số dụng cụ có phần cắt phức tạp dao phay, dao định hình việc đo lại khó khăn phức tạp (iii) Tiêu chuẩn mài mòn mặt sau (hS) Tiêu chuẩn nói chung hay dùng, mài mòn theo mặt sau dạng mài mòn chủ yếu dao dễ đo Người ta chia tiêu chuẩn làm hai loại: Loại 1: Tiêu chuẩn mài mòn hợp lý – quy định độ mài mòn dao theo thời gian làm việc lớn Loại :Tiêu chuẩn mài mòn cơng nghệ – quy định độ mài mòn dao theo quy định cơng nghệ cho trước Ví dụ: Bảng 8.6 Lượng mòn cho phép theo tiêu chuẩn ГОСТ Thép gió hs (mm) Thép Có DDTN Khơng DDTN Gang s < 0,3 mm/vg s > 0,3 mm/vg Hợp kim cứng hs (mm) 0,8 – 1,0 1,5 – 3,0 0,5 – 1,0 1,5 – 2,0 1,4 – 1,7 0,8 – 1,0 Bảng 8.7 Lượng mòn cho phép theo tiêu chuẩn AISI/SAE Ngun cơng Tiện Phay mặt đầu Phay ngón Khoan Doa Thép gió hs (mm) 1,5 1,5 0,3 0,4 0,15 Hợp kim cứng hs (mm) 0,4 0,4 0,3 0,4 0,15 VIII.2 Tuổi bền dụng cụ BM Hàn & CNKL 76 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Như giới thiệu số tiêu chuẩn mài mòn dao, song thấy rằng, việc xác định độ mài mòn cho phép dụng cụ cắt theo tiêu chuẩn gặp khó khăn thiếu xác, khơng phải lúc quan sát, xác định đo dễ dàng Cho nên, để đánh gía độ mòn (chủ yếu độ mòn mặt sau) loại dụng cụ cắt cách dễ dàng thuận tiện (tất nhiên khơng thể xác hồn tồn), người ta dùng đại lượng thời gian gọi tuổi bền dao, ký hiệu chữ T, tính phút Tuổi bền dụng cụ cắt T (phút) khoảng thời gian hai lần mài ứng với độ mòn cho phép Tuổi bền dao phụ thuộc vào nhiều yếu tố: vật liệu làm dao, vật liệu gia công, thơng số hình học dao, chế độ cắt, nhiệt cắt, chất lượng mài dao Do đó, tuỳ trường hợp cụ thể mà chọn tuổi bền dao khác Ví dụ: dao thép gió, trường hợp tiện bình thường T = 60 – 90 phút; dao hợp kim cứng, T = 30 – 60 phút; dao bào, dao tiện ren, dao định hình, T =120 phút Quan hệ tốc độ cắt v tuổi bền T theo công thức F.M Taylor tiếng loại thép: vTn = C (8.31) Trong đó: v – tốc độ cắt (m/ph) T – thời gian để độ mòn mặt sau đạt đến [hs] (ph) n – số mũ phụ thuộc vào chế độ cắt C – số thực nghiệm Đường cong tuổi bền dụng cụ đường cong nối điểm xác định thực nghiệm (h.8.22 Kal) BM Hàn & CNKL 77 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thng Hình II-42:ảnh hởng tổ chức tế vi vật c¾t tíi ti thä cđa dơng Chú ý tuổi bền giảm mạnh tốc độ cắt tăng, vật liệu gia công ảnh hưởng mạnh đến tuổi bền Nhiệt luyện quan trọng làm tăng độ cứng chi tiết gia cơng; ví dụ ferrite có độ cứng khoảng100 HB, pearlite 200 HB, martensite (300 – 500) HB Các phần tử tạp chất cứng lẫn vật liệu gia công làm giảm tuổi bền chúng hạt mài cào xước lên bề mặt dụng cụ Để dễ dàng xác định số mũ n người ta chuyển đồ thị đường cong tuổi bền sang hệ tọa độ logarit, lúc đường cong thành thẳng Theo thực nghiệm giá trị n thép gió từ 0,08 - 0,2 ; hợp kim cứng từ 0,2 - 0,5 ; gốm sứ từ 0,5 - 0,7 Mặc dù tốc độ cắt v biến số quan trọng định tuổi bền dụng cụ, chiều sâu cắt t lượng chạy dao s quan trọng Từ phương trình (8.31Kal) thêm vào thành: vTntxsy = C (8.32) Trong t chiều sâu cắt (mm); s lượng chạy dao (mm/vg) Số mũ x y xác định thực nghiệm với chế độ cắt cụ thể Ví dụ, điều kiện thực tế thường lấy n =0,15; x =0,15; y =0,6 nên viết lại (8.32) thành Tn = Cv-1t-xs-y BM Hàn & CNKL 78 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Thay vào T = C7v-7t-1s-4 (8.34) Với tuổi bền định, từ cơng thức (8.34) có nhận xét sau: • Nếu chiều sâu cắt lượng chạy dao tăng, tốc độ cắt phải giảm ngược lại • Tùy theo số mũ, việc giảm tốc độ cắt làm tăng lượng phoi cắt ra, làm tăng lượng chạy dao với chiều sâu cắt Trong thực tế chọn tuổi bền phải dựa vào yêu cầu trình sản xuất Rõ ràng tốc độ cắt tăng tuổi bền giảm nhanh chóng Mặt khác tốc độ cắt thấp tuổi bền tăng suất lại thấp Do tùy điều kiện cụ thể mà chọn tuổi bền cho suất cao giá thành nhỏ • Tuổi bền suất Tns tuổi bền thời gian gia cơng chi tiết nhỏ • Tuổi bền kinh tế Tkt tuổi bền cho giá thành gia công chi tiết nhỏ Căn vào thời gian gia công giá thành gia cơng xác định tốc độ cắt tối ưu vns vkt IX Khả chịu gia công cắt gọt Khả chịu gia công cắt gọt ( gọi tắt tính gia cơng cơ) vật liệu thuật ngữ thường xác định theo yếu tố: độ nhám chất lượng bề mặt chi tiết máy; tuổi bền dụng cụ cắt gọt; lực công suất cắt yêu cầu; khống chế phoi cắt Thực tế khó định lượng tính gia cơng vật liệu Tuy nhiên nhà máy khí chế tạo, tuổi bền dụng cụ độ nhám bề mặt thường đánh giá yếu tố quan trọng khả chịu gia công cắt gọt IX.1 Tính gia cơng thép Vì thép vật liệu quan trọng gia cơng khí nên tính gia cơng chúng nghiên cứu kỹ Để cải thiện tính gia cơng thép người ta bổ sung nguyên tố chì lưu huỳnh chúng gọi thép dễ cắt IX.1.1 Thép chứa chì Cho chì vào thép nóng chảy (khơng q 0,20%) tạo thành hạt chì nhỏ phân tán khơng hòa tan Vì có độ bền nhiệt độ nóng BM Hàn & CNKL 79 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng chảy thấp, nên cắt gọt với tốc độ cao, dao phoi bị nóng lên đến 400o –500oC Các hạt chì bị chảy đóng vai trò chất bơi trơn giảm ma sát, phoi gãy vụn dao khơng bị nóng lên Do lực cơng suất cắt giảm Tuy nhiên liên quan đến vấn đề môi trường nên loại bỏ thép chì mà thay thép chứa bismuth thiếc IX.1.2 Thép chứa lưu huỳnh phôtpho Lưu huỳnh thép kết hợp với sắt tạo thành màng sulfide sắt (FeS) bọc lấy hạt làm q trình cắt dễ dàng, có nhiều làm khó khăn cho ngun cơng cán rèn Vì người ta cho thêm mangan vào để lưu huỳnh mangan tạo thành sulfide mangan, MnS pha tương đối dẻo nóng làm tăng ứng suất mặt trượt Kết giảm tính liên tục độ bền theo phương vng góc với thớ, làm phoi dễ bị gãy vụn.(h8.30Kal) H×nh II-43: Còn phơtpho hòa tan vào ferrite làm tăng độ giòn pha nhờ dễ tách làm vụn phoi Cả MnS lẫn dung dịch rắn phôtpho ferrite tránh tượng lẹo dao nên bề mặt chi tiết gia cơng nhẵn bóng Tuy nhiên S P cải thiện tính gia cơng lại làm xấu chất lượng thép IX.1.3 Thép chứa oxyt canxi Trong loại thép hạt CaO tạo thành làm giảm độ bền miền tạo phoi, làm giảm ma sát, nhiệt độ giao diện daophoi Do độ mòn mặt trước dao giảm, đặc biệt tốc độ cắt cao IX.1.4 Ảnh hưởng ngun tố đến tính gia cơng thép Sự có mặt nhơm silic thép ln có hại chúng tác dụng với oxy tạo thành Al2O3 SiO2 Các chất cứng cào BM Hàn & CNKL 80 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng xước lên dụng cụ làm tăng độ mòn dụng cụ, giảm tính gia cơng Cacbon mangan có ảnh hưởng khác đến tính gia cơng thép, tùy thuộc vào thành phần chúng Khi hàm lượng cacbon tăng vượt q 0,30%, tính gia cơng ( chủ yếu tuổi bền dao) giảm; nhiên gia cơng thép cacbon thấp độ bóng bề mặt hình thành lẹo dao Thép đúc có độ cào xước mạnh tính gia cơng tương tự thép rèn Thép dụng cụ thép làm khn khó gia cơng thường phải ủ trước gia công Mangan làm tăng độ bền giảm tính dẻo thép Hiệu tương ứng tùy thuộc vào hàm lượng cacbon photpho Khi hàm lượng cacbon thấp 0,20% mangan đạt đến 1,5% để tăng tính gia cơng cơ, hai tăng độ bền lại tăng nhanh làm giảm tính gia cơng Hàm lượng tói ưu mangan thép vào khoảng 0,75 –1% Tính gia cơng đa số loại thép nhiệt độ thấp tốt làm giảm khuynh hướng hình thành lẹo dao Các nguyên tố hợp kim khác Ni, Cr, Mo, V cho vào tạo cacbid dung dịch đặc để cải thiện tính chất thép thường làm giảm tính gia cơng Ảnh hưởng bo khơng đáng kể Vai trò chất khí oxy, nitơ, hydro khơng xác định rõ ràng, mà tùy thuộc vào số lượng nguyên tố hợp kim khác Cần phải cân nhắc kỹ thêm nguyên tố vào thép để cải thiện tính gia cơng ngun tố làm xấu tính chất độ bền chi tiết máy Ví dụ, tăng nhiệt độ chì làm cho thép bị giòn, nhiệt độ thường khơng ảnh hưởng tới tính Lưu huỳnh gây giòn nóng có mặt sulfide sắt FeS Phơtpho làm giảm đáng kể tính dẻo gây bở nguội IX.1.5 Thép không gỉ Thép không gỉ austenitic ( 10Cr23Ni18; 40Cr14Ni14W2Mo ) thường khó gia cơng cơ, đặc biệt loại có hợp kim hóa phức tạp, chúng bị biến cứng Khi có titan (08Cr18Ni10Ti), kết hợp với crôm làm tăng độ dai va đập, kết hợp với niken làm tăng mạnh độ bền Do rung động nên phải dùng máy cơng cụ có độ cứng vững khả giảm rung tốt Tuy thép khơng gỉ ferritic (10Cr13; 30Cr13) lại có tính gia cơng tốt thép cacbon thấp Thép không gỉ martensitic có BM Hàn & CNKL 81 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng khả cào xước dễ hình thành lẹo dao, yêu cầu vật liệu dụng cụ cắt phải có độ cứng nóng cao, chịu mòn tốt IX.2 Tính gia công hợp kim khác Gang dễ gia công, bị cào xước Cementite pha rắn tồn tự gang làm giảm khả gia cơng cắt gọt dễ gây tróc gãy dao, yêu cầu vật liệu làm dao phải có độ dai va đập cao Gang dẻo với cấu trúc ferrite graphite dạng cụm nhỏ dễ gia cơng Graphite có gang giúp cải thiện tính cắt gọt, graphite lớn làm giảm độ bóng bề mặt Tính gia cơng gang xám giảm có mặt Cementite dạng khối Tuổi bền dụng cụ cắt giảm gia công gang có lớp vỏ cứng, bề mặt bị biến cứng Đặc biệt khó khăn gia cơng gang trắng dao thép gió, trường hợp phải dùng dao hợp kim cứng đá mài Nhơm nói chung dễ gia công; nhiên mềm độ dai va đập cao nên dễ hình thành lẹo dao Để tăng suất chất lượng cắt với tốc độ cắt cao (v =1000 – 2000 m/ph), góc trước góc sau lớn (γ =30 – 400 ;α = –100) Khi cắt gọt hợp kim nhôm gia công áp lực có hàm lượng silic cao hợp kim nhôm đúc, yêu cầu vật liệu làm dao phải cứng cào xước mạnh Kiểm tra kích thước gia cơng xác vật liệu nhơm vấn đề modun đàn hồi nhỏ hệ số giãn nở nhiệt lớn Beryl tương tự gang xám cào xước mạnh beryl nguyên tố độc hại, nên vấn đề môi trường cần ý Hợp kim coban có độ cứng cào xước lớn; yêu cầu dao sắc, chịu cào xước Khi cắt chọn tốc độ cắt lượng chạy dao nhỏ Đồng - tùy thuộc vào thành phần nguyên tố, hợp kim dồng có tính chất khác nhau, tính gia cơng khác nhiều Đồng đỏ khó gia cơng dễ hình thành lẹo dao Đồng thau dễ gia cơng, đặc biệt có chứa chì, nhiệt cắt nhỏ Đồng khó gia công đồng thau Hệ số co rút phoi k =1,5 –7 Tuổi bền dao động phạm vi rộng chênh lệch đến lần Manhê dễ gia công, độ bóng bề mặt cao, độ xác gia cơng đảm bảo (cỡ vài μm), tuổi bền dụng cụ lâu Cơng suất cắt cần thiết nhỏ kim loại khác Tuy nhiên phải cẩn thận gia cơng tốc độ oxy hóa cao dễ bị cháy Mơlybden cứng dẻo nên làm giảm độ bóng bề mặt, yêu cầu dụng cụ phải sắc BM Hàn & CNKL 82 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng Hợp kim nikel (Cr15-Ni60; Cr20-Ni80) biến cứng, cào xước mạnh, độ bền nhiệt cao; tính gia cơng chúng tương tự thép không gỉ Tuổi bền dao giảm mạnh Khi gia công mài sắc lưỡi dao, chọn góc trước γ= 10 - 150; góc sau α lớn đến mức có thể, cắt mỏng chạy dao chậm phải cắt sâu lớp biến cứng Tantal dẻo mềm bị biến cứng mạnh; sản phẩm có độ bóng bề mặt thấp, dụng cụ chóng mòn Titan hợp kim titan có độ dẫn nhiệt thấp, gây tăng nhiệt cục hình thành lẹo dao; khó gia cơng cắt gọt Vonfram giòn, bền cào xước mạnh; nên tính gia công thấp Tuy nhiên nhiệt độ cao lại dễ gia cơng Zirconi có tính gia công tốt; nhiên phải dùng dung dịch trơn nguội nguy hiểm cháy nổ IX.3 Tính gia cơng loại vật liệu khác Nhựa dẻo nóng thường có tính dẫn nhiệt kém, modun đàn hồi nhiệt độ sử dụng thấp Yêu cầu dụng cụ cắt có góc trước sau lớn để giảm lực cắt; chiều sâu cắt lượng chạy dao nhỏ; tốc độ cắt lớn; chi tiết gia công phải gá cẩn thận độ cứng vững yếu Dụng cụ sắc phải có dung dịch trơn nguội để phoi khơng bị chảy dính vào dao Nhựa rắn nóng giòn nhạy cảm với gradient nhiệt cắt; tính gia cơng tương tự nhựa dẻo nóng Tuy bền cứng sản phẩm tái sinh làm nhiên liệu, phụ gia Chất dẻo gia cường có sợi thớ tăng bền nói chung có cào xước mạnh khó gia cơng khó tách làm đứt thớ Hơn nữa, gia công cần tránh mảnh phoi tiếp xúc với người tránh hít phải thớ Composite cốt kim loại cốt gốm khó gia cơng, tùy thuộc vào tính chất riêng vật liệu IX.4 Gia cơng có trợ nhiệt Các loại vật liệu khó gia cơng nhiệt độ thường gia cơng dễ dàng nhiệt độ cao, lực cắt nhỏ tuổi bền dụng cụ tăng Khi gia công có trợ nhiệt (gia cơng nóng), nguồn nhiệt mỏ đốt, chùm tia lượng cao (chùm tia laser điện tử), chùm plasma tập trung vào vùng trước dụng cụ cắt Gia cơng nóng ứng dụng nhiều BM Hàn & CNKL 83 Trường ĐHBK Hà Nội Gia công cắt gọt máy công cụ Nguyễn Đức Thắng nguyên công tiện phay Các loai vật liệu gốm nitride silic stellite (hợp kim gồm Co, Cr, W Mo) gia công tốt nhờ chùm tia laser trợ nhiệt Khó khăn q trình khó điều khiển nhiệt độ đồng toàn chi tiết gia công BM Hàn & CNKL 84 Trường ĐHBK Hà Nội