Giáo trình Nguyên lý cắt - Bài 1: Cơ sở lý thuyết và nguyên lý cắt gọt

Nội dung text: Giáo trình Nguyên lý cắt - Bài 1: Cơ sở lý thuyết và nguyên lý cắt gọt

1. HỌC TRÌNH 1 NGUYÊN LÝ CHUNG Bài 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ CẮT GỌT  I. Đặc điểm và vai trò của gia công cắt gọt : - Cắt gọt kim loại là quá trình công nghệ tạo nên những sản phẩm cơ khí có hình dáng kích thước độ bóng bề mặt theo yêu cầu kỹ thuật từ một phôi liệu ban đầu nhờ sự cắt bỏ lớp kim loại dưới dạng phoi. - Gia công cắt gọt được thực hiện ở nhiệt độ bình thường của môi trường (cả trước và sau nguyên công nhiệt luyện ). Nó cho độ bóng và độ chính xác cao hơn các phương pháp gia công hàn, đúc, rèn, dập nóng - Phương pháp gia công bằng cắt gọt chiếm 30% khôi lượng công việc gia công cơ khí và trong tương lai có thể nhiều hơn. II. Những khái niệm và định nghiã cơ bản : 1. Chuyển động trong quá trình cắt gọt : - Mỗi một loại máy cắt kim loại có quỹ đạo chuyển động tương đối giữa dao và chi tiết khác nhau. Người ta phân ra ba loại chuyển động : a> Chuyển động chính : (chuyển động cắt chính) là chuyển động cơ bản của máy cắt được thực hiên qua dụng cụ cắt hay chi tiết gia công. Nó có thể là chuyển động quay, tịnh tiến khứ hồi hoặc ở dạng kết hợp Ví dụ: Khi tiện chuyển động chính là chuyển động quay tròn của phôi gá trên mâm cặp; khi phay, khoan, mài chuyển động chính là chuyển động quay tròn của dao phay, khoan và đá mài; còn khi bào và xọc là chuyển động tịnh tiến khứ hồi qua lại và lên xuống của dao b> Chuyển động chạy dao: là chuyển động của dao hay chi tiết gia công nó kết hợp với chuyển động chính tạo nên quá trình cắt gọt.
2. Chuyển động chạy dao có thể liên tục hay gián đoạn. Chuyển động này thường được thực hiện trong xu hướng vuông góc với chuyển động chính, cụ thể : - Khi tiện, chuyển động chạy dao kà chuyển động ngang – dọc của bàn dao khi cắt: - Khi phay là chuyển động ngang- dọc- đứng của bàn máy mang phôi; - Khi bào là chuyển động ngang (đứng) của bàn máy và chuyển động lên xuống của đầu dao; - Khi mài là chuyển đông tịnh tiến ngang (dọc) của bàn máy mang phôi hay trục của đá mài. - Khi khoan là chuyển động ăn xuống của mũi khoan. c> Chuyển động phụ: là chuyển động không trực tiếp tạo ra phoi như chuyển động tịnh tiến, lùi dao ( không cắt vào phôi). 2. Chế độ cắt: *Vận tốc cắt (Vc) là lượng dịch chuyển tương đối giữa lưỡi cắt và chi tiết gia công trong một đơn vị thời gian (hoặc lượng dịch chuyển tương đối của một điểm trên bề mặt chi tiết gia công và lưỡi cắt trong một đơn vị thời gian) ta có : Vc = V + S Đa số các trường hợp trị số của vận tốc chuyển đông chay dao S rất nhỏ nên có thể coi vận tốc cắt là vận tốc chuyển động chính V V. Ví dụ khi tiện ngoài chi tiết đường kính D (mm) số vòng quay trục chính n (vg/ph) thì trị số của tốc độ cắt có thể tính theo công thức: .D.n V , m / ph 1000 “Khi tiện lỗ thì D là đường kính lỗ sau khi gia công, khi khoan D là đường kính mũi khoan, khi phay D là đường kính dao phay, khi mài D là đường kính của đá mài“. Nếu chuyển động chính là tịnh tiến (bào, xọc ) thì trị số vận tốc lấy theo giá trị vận tốc trung bình: 2.L.n Vtb , m / ph 1000
3. Trong đó: L: là chiều dài hành trình chạy dao (mm). n: là số hành trình kép trong một phút . *Chiều sâu cắt (t) : là chiều sâu lớp kim loại bị hớt đi sau một lần cắt (hoặc là khoảng cách giữa hai bề mặt đã và chưa gia công kề nhau đo theo phương vuông góc với phương chạy dao). Ví dụ: Khi tiện thì chiều sâu cắt được tính: t = (D – d)/2 (khi tiện ngoài)mm t = (d – D)/2 (khi tiện trong)mm *Lượng chạy dao (S) là quãng đường tương đối của lưỡi cắt so với chi tiết theo phương chuyển động chạy dao sau một đơn vị thời gian, sau một vòng quay của phôi hay sau một hành tình kép. Khi tiện, lượng chạy dao S là lượng dịch chuyển của dao theo phương chạy dao dọc theo bề mặt gia công sao một vòng quay của phôi (mm/vg) Khi bào và xọc lượng chay dao S là lượng dịch chuyển của dao hay bàn máy sau một hành trình kép của bàn máy (hoặc dao) – mm/h.t.kép. Đối với dao nhiều lưỡi cắt như dao phay có thể tính lượng chạy dao sau một răng dao (mm/rg), lượng chạy dao sau một vòng quay của dao (mm/vg), lượng chạy dao sau một phút làm việc của dao (mm/ph).
4. => Tập hợp các yếu tố vận tốc cắt V, chiều sâu cắt t, lượng chạy dao S gọi là chế độ cắt. Một chế độ cắt được xác lập trên hệ thống công nghệ bao gồm : Máy – Dao – Đồ gá và Chi tiết gia công. III. Sự hình thành các bề mặt trên chi tiết trong quá trình cắt: Bất kỳ phương pháp gia công nào, quá trình hớt bỏ dần lớp lượng dư gia công cơ (quá trình cắt) đều hình thành trên chi tiết 3 bề mặt có đặc điểm khác nhau. Xét tại một thời điểm nào đó trong quá trình gia công (khi tiện), ba bề mặt trên được phân biệt như sau:
5. +Mặt sẽ gia công: là bề mặt của phôi mà dao sẽ cắt đến theo qui luật chuyển động. Tính chất của bề mặt này là tính chất bề mặt phôi. +Mặt đã gia công: là bề mặt trên chi tiết mà dao đã cắt qua. Tính chất của bề mặt này là phản ánh những kết quả của các hiện tượng cơ lý trong quá trình cắt. +Mặt đang gia công: là bề mặt trên chi tiết mà lưỡi dao đang trực tiếp thực hiện tách phoi. Cũng là mặt nối tiếp giữa mặt đã gia công và mặt sẽ gia công. Trên bề mặt này đang diễn ra các hiện tượng phức tạp. +Vùng cắt : Là phần kim loại cuả chi tiết vừa được tách ra ở gần mũi dao và lưỡi cắt nhưng chưa thoát ra ngoài. Đây là vùng đang xảy ra các quá trình cơ lý phức tạp. IV. Các mặt phẳng cơ bản của dao cắt kim loại: Để xác định các góc độ của dao và khảo sát về lực cắt, vận tốc cắt, nhiệt cắt người ta qui định các mặt phẳng toạ độ của dao ( dao tiện). Hệ toạ độ được xác định trên cơ sở của ba phương chuyển động cắt ( S, t, V) +Mặt phẳng cơ bản 1 : Được tạo bởi vectơ tốc độ V và vectơ chạy dao S +Mặt phẳng cơ bản 2 : Được tạo bởi vectơ tốc độ V và vectơ chiều sâu cắt t. +Mặt phẳng cơ bản 3 :(còn gọi là mặt đáy) Được tạo bởi vectơ chạy dao S và vectơ chiều sâu cắt t. Là mặt phẳng đi qua một điểm của lưỡi cắt chính và vuông góc với vectơ vận tốc cắt tại điểm đó . Đối với dao có tiết diện là hình lăng trụ thì mặt đáy song song với mặt tỳ của thân dao trên ổ gá dao. +Mặt phẳng cắt là mặt phẳng đi qua một điểm của lưỡi cắt chính và tiếp xúc với mặt đang gia công. Mặt cắt chứa vectơ vận tốc cắt V. Hay mặt phẳng chứa lưỡi cắt chính và vectơ vận tốc cắt mà nó vuông góc với mặt đáy (gọi là mặt phẳng cắt gọt. Tiết diện chính N – N :là mặt phẳng đi qua một điểm của lưỡi cắt chính và vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt đáy . Tiết diện phụ N1 – N1 :là mặt phẳng đi qua một điểm của lưỡi cắt phụ và vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt phụ trên mặt đáy.
6. V. Những bộ phận chính của dụng cụ cắt: Dao cắt kim loại giữ vai trò quan trọng trong quá trình gia công, nó trực tiếp tác động vào phôi liệu để tách ra phoi tạo thành bề mặt gia công. Mỗi dao ( điển hình là dao tiện) thường gồm hai phần: *Thân dao: dùng để gá vào bàn dao, nó phải đủ độ bền và độ cứng
7. vững, Nhằm đảm bảo vị trí tương quan giữa dao và chi tiết. *Đầu dao: là phần làm nhiệm vụ cắt gọt. Đầu dao được hợp thành bởi các bề mặt sau: - Mặt trước(1): là bề của dao tiếp xúc với phoi và phoi trực tiếp trượt trên trên đó và thoát ra ngoài. - Mặt sau chính(2): là bề của dao đối diện với mặt đang gia công. - Mặt sau chính(3): là bề của dao đối diện với mặt đã gia công. - Lưỡi cắt chính: là giao tuyến của mặt trước và và mặt sau chính, nó trực tiếp cắt vào kim loại. Độ dài lưỡi cắt chính có liên quan đến chiều sâu cắt và bề rộng của phoi. - Lưỡi cắt phụ: là giao tuyến của mặt trước và và mặt sau phụ, một phần lưỡi cắt phụ gần mũi dao cũng tham gia cắt với lưỡi cắt chính. - Lưỡi cắt nối tiếp: (chỉ có một số loại dao tiện) là phần nối tiếp giữa lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ. Khi không có lưỡi cắt nối tiếp dao tiện sẽ có mũi. Mũi dao có thể nhọn hoặc lượng tròn (bán kính mũi dao R = 1 – 2mm). Các lưỡi cắt có thể thẳng hoặc cong và một đầu dao nên có thể có một hoặc hai lưỡi cắt phụ . Một dao có thể có nhiều đầu dao nên có rất nhiều lưỡi cắt. Tuỳ theo số lượng của lưỡi cắt chính, người ta chia ra : +Dao một lưỡi cắt : dao tiện, dao bào +Dao hai lưỡi cắt : mũi khoan +Dao nhiều lưỡi cắt : dao phay, dao doa, dao cưa +Dao có vô số lưỡi cắt là đá mài, (mỗi hạt mài có vai trò như một lưỡi cắt) VI. Thông số hình học của dao ở trạng thái tĩnh (dao tiện):
8. Để đảm bảo năng suất – chất lượng bề mặt gia công, dao cắt cần phải có hình dáng và góc độ hợp lý. Thông số hình học của dao được xét ở trạng thái tĩnh (khi dao chưa làm việc). Góc độ của dao được xét trên cơ sở : dao tiện đầu thẳng đặt vuông góc với phương chạy dao, mũi dao được gá ngang tâm phôi. Các thông số hình học của dao nhằm xác định vị trí các góc độ của dao nằm trên đầu dao. Những thông số này được xác định ở tiết diện chính N – N, ở mặt đáy, ở tiết diện phụ N1 – N1 và trên mặt phẳng cắt gọt. +Góc trước  : là góc tạo thành giữa mặt trước và mặt đáy đo trong tiết diện chính N – N Góc trước có giá trị dương khi mặt trước thấp hơn mặt đáy tính từ mũi dao, có giá trị âm khi mặt trước cao hơn mặt đáy và bằng không khi mặt trước song song với mặt đáy. Khi góc trước lớn biến dạng phoi nhỏ, việc thoát phoi dễ dàng, lực cắt và công tiêu hao giảm, năng suất tăng. +Góc sau chính : là góc tạo thành giữa mặt sau và mặt phẳng cắt gọt đo trong tiết diện chính. Góc sau thường có giá trị dương. Góc sau càng lớn mặt sau ít bị ma sát vào bề mặt gia công nên chất lượng bề mặt gia công càng tốt.
9. +Góc cắt  : là góc tạo bởi giữa mặt trước và mặt cắt đo trong tiết diện chính +Góc sắc  : là góc được tạo bởi mặt trước và mặt sau chính đo trong tiết diện chính ta có quan hệ : +  +  =90o ;  = +  +Góc trước phụ 1 : tương tự như góc trước, nhưng đo trong tiết diện phụ N – N, +Góc sau phụ 1 : tương tự như góc sau , nhưng đo trong tiết diện phụ N – N +Góc mũi dao  : là góc hợp bởi hình chiếu lưỡi cắt chính và hình chiếu của lưỡi cắt phụ trên mặt phẳng đáy. +Góc nghiêng chính : là góc của hình chiếu lưỡi cắt chính với phương chạy dao đo trong mặt đáy. +Góc nghiêng phụ 1 : là góc của hình chiếu lưỡi cắt phụ với phương chạy dao đo trong mặt đáy. o Ta có : +  + 1 =180 +Góc nâng của lưỡi cắt chính : là góc tạo bởi lưỡi cắt chính và hình chiếu của nó trên mặt đáy.  Có giá trị dương, khi mũi dao là điểm thấp nhất của lưỡi cắt .  Có giá trị âm, khi mũi dao là điểm cao nhất của lưỡi cắt.  = 0 Khi lưỡi cắt nằm ngang ( song song với mặt đáy). Các định nghĩa trên cũng đúng cho các loại dao khác. VII. Thông số hình học của dao trong quá trình cắt: 1. Sự thay đổi giá trị các góc và 1 khi gá trục dụng cụ cắt không thẳng góc với đường tâm chi tiết:
10. Dụng cụ sau khi mài sắc có các góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ Nếu khi gá dao, trục dao không vuông góc với đường tâm thì: +Nếu gá dao nghiêng về bên trái: 0 *Góc nghiêng chính khi làm việc c = - (90 -) 0 *Góc nghiêng phụ khi làm việc 1c = 1 + (90 -) +Nếu gá dao nghiêng về bên phải: 0 *Góc nghiêng chính khi làm việc c = + (90 -) 0 *Góc nghiêng phụ khi làm việc 1c = 1 - (90 -) 2.Sự thay đổi giá trị các góc khi mũi dao gá không ngang tâm máy : Cao hơn tâm (tiện ngoài)
11. Thấp hơn tâm (tiện ngoài) Gá cao hơn tâm (tiện trong) Gá thấp hơn tâm (tiện trong)
12. - Khi tiện ngoài, nếu mũi dao gá cao hơn đường tâm của máy thì góc trước của dụng cụ khi làm việc tt sẽ tăng lên, góc sau tt sẽ giảm đi ; còn khi gá dao thấp hơn đường tâm của máy thì góc trước khi làm việc tt sẽ gảm đi, còn góc sau khi làm việc tt sẽ tăng lên. - Khi tiện trong kết quả sẽ ngược lại. Ơ cả hai trường hợp trên, giá trị của các góc sẽ thay đổi một giá trị bằng góc. Góc đó được tính theo công thức : Trong đó: H : là độ cao (thấp) của mũi dao so với tâm máy. R : là bán kính của bề mặt được gia công ( hay bán kính chi tiết )  = arcSinH/R 3. Sự thay đổi giá trị các góc của dao khi có thêm các chuyển động phụ: Chuyển động chạy dao ngang và chuyển động chay dao dọc + Chuyển động chạy dao ngang (khi xén mặt đầu, cắt đứt ) Khi có chuyển động chạy dao ngang thì quỹ đạo của chuyển động cắt tương đối là đường acsimét. Do có lượng chạy dao ngang nên hướng của vectơ tốc độ cắt tổng hợp luôn luôn thay đổi, làm thay đổi góc độ của dụng cụ cắt. Ta có : yc = y + 1
13. yc = y - 1 Góc 1 được tính theo biểu thức sau: Trong đó : Sn : lượng chay dao ngang sau một vòng quay của chi tiết (mm/vg) D : là đường kính của chi tiết ở điểm khảo sát (mm) Ví dụ1 : Tiện cắt đức một chi tiết hình trụ với lượng chạy dao ngang Sn =0.2 0 mm/vòng. Dao tiện cắt đức sau khi mài có y =12 . Tính góc sau thực tế khi cắt đến điểm cách tâm một khoảng r = 1mm. Giải : Tính góc  theo côntg thức cho trên. Ta có : tg1= Sn/ 2 .r =0.2 / 2 x 3.14 = 0.0318 Do đó  = 1049’ Góc sau khi cắt đến điểm cách tam 1 mm sẽ là : 0 0 0 yc = y - 1 =12 – 1 49’ =10 11’. Như vậy do lượng chạy dao ngang bé nên sự thay đổi góc sau không Vs Sn tg1 V 0 D đáng kể, có thể không đáng quan tâm. Ví dụ 2 : Tiện hớt lưng một dao phay định hình có các thông số sau: đường kính ngoài D = 75mm, số răng Z = 10, lượng hớt lưng K = 4.5mm, cần mài 0 góc sau y là bao nhiêu để làm việc ta có yc =8 Giải Ta có: yc = y - với tg = Sn/ D Lượng hớt lưng K = 4.5mm, nghĩa là sau một góc giữa hai răng (3600/ z) thì lượng tiến dao là 4.5mm Vậy sau một vòng lượng tiến dao sẽ là: Sn = K.Z = 4.5 x 10 =45 mm/ vòng Khi đó: 45 tg  0,190985 3,14 x 75 =10.8120 =10048’
14. Vì y = y -  hay y = yc +  0 0 0 Vậy cần mài góc sau: y = 8 +10 48’=18 48’ - Chuyển động chạy dao dọc Khi có chuyển động chạy dao dọc thì quỹ đạo của chuyển động cắt tương đối là đường xoắn ốc, do đó véctơ tốc độ cắt tổng hợp sẽ nghiêng với véctơ tốc độ cắt ở trạng thái tĩnh một góc2 Ta có: xc = x - x xc = x + x Giá trị của 2 được tính từ biểu thức: Trong đó: Sd: là lượng chạy dao dọc sau một vòng quay chi tiết (mm/vg) D : là đường kính chi tiết tại điểm khảo sát Lượng chạy dao dọc càng lớn, đường kính chi tiết gia công càng bé thì góc 2 càng lớn. Do đó khi cắt với lượng chạy dao lớn như khi cắt ren bước lớn như ren nhiều đầu mối, thì khi mài dao cần phải chú ý đến góc 2 để đảm bảo góc sau khi cắt không âm. Ví dụ 3 :
15. Tiện một trục vít hình thang có Prôfin như hình vẽ, đường kính trung bình của trục vít dtrung bình=40 mm, môdun chiều trục m = 6. Góc Prôfin của ren =200 Người ta tiến hành tịên từng mặt một. Dao tiện tinh mặt trái ren có dang như hình sau, góc trước  =0, = 700,  = 00. Gá mũi dao ngang tâm máy.Để tiện đạt yêu cầu thì góc sau 0 tiết diện XX Phải là x0 =10 .Hỏi phải mài dao với góc n bằng bao nhiêu ở điểm nằm trên đường kính trung bình ? Giải: xe = x -x tgx = Sd/ 2 . Tính x với Sd là lượng chạy dao theo chiều trục, lúc nào bằng bước chiều trục t0, do đó Sd =to = m = 6 . là bán kính vectơ tại điểm ta xét = 20 mm Do đó : 6. tgx 0,15 2. .D.20
16. 0 =>x =8 53’ tính góc sau trong tiết diện NN n Ta đã có quan hệ: ctg x – ctg n.sin tg .cos Vì =0 nên ctg x = ctg . sin Hay : ctg n = ctg x. sin 0 0 Ơ đây : x = xc =18 53’, góc =70 Do đó tg n = ctg xc. sin =tg18053.sin700 tg n = 0.31496. 0 0 => n=(17,48) = 17 26’. VIII. Các thông số của lớp kim loại bị cắt : * Chiều dày cắt a: là khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp của lưỡi cắt sau một vòng quay của phôi hay một hành trình kép của dao (bàn máy) đo theo phương thẳng góc với chiều rộng cắt . * Chiều rộng cắt b: là khoảng cách giữa hai bề mặt chưa gia công và bề mặt đã gia công đo dọc theo lưỡi cắt (tính bằng mm). Nếu lưỡi cắt thẳng thì b là chiều dài phần lưỡi đang tham gia cắt, còn nếu lưỡi cắt cong chiều rộng cắt b là chiều dài cung cong của lưỡi cắt đang tham gia cắt. Thông số hình học của phoi có ảnh hưởng đến lực cắt và nhiệt cắt. Khi tăng a thì lực cắt và nhiệt cắt tăng, dao bị mòn nhanh còn khi tăng b thì lực cắt và nhiệt cắt trên đơn vị dài của lưỡi cắt không thay đổi.
17. Trường hợp tiện (dao gá ngang tâm phôi, dao có  =0, =0 ): t b Sin a=S.sin ; nếu  0 thì Sin a S Cos Như vậy, (nếu : t = const; càng nhỏ ) a sẽ nhỏ, b sẻ lớn- phoi sẽ mỏng và dài. *Diện tích cắt: và tích số giữa chiều rộng và chiều dày cắt .Ví dụ khi tiện ( dao gá ngang tâm phôi , dao có:  = o ; = o) 2 +Diện tích danh nghĩa : Fdn = a.b = s.t (mm) +Diện tích thực tế: F = Fdn- F ; F – diện tích nhấp nhô mà dao không cắt hết. Được tính: - Khi lưỡi cắt thẳng : F = F. (ABC) = 1/2AB x CH ; AB = S +CH x(cotg + cotg 1 ) CH = S/ cotg + cotg 1 => - Khi lưỡi cắt cong : 1 S 2 F . 2 cot g cot g 1 AB= S; CH = HI – CI = S 2 R R2 4 => (CH – R)2 = R2- S2/4 (CH)2 – 2CH x R + R2= R2 –S2/4 Bỏ qua vô cùng bé (CH)2:CH S2/ 8R ; Lắp ghép như trên. 1 S 3 F ABxCH 2 16 R Có thể nhận thấy : CH = Rz – Chiều cao nhấp nhô trung bình bề mặt chi tiết gia công ( thông số về nhám bề mặt) Nếu tăng thì Rz tăng (độ bóng bề mặt gia công giảm) và nếu R tăng thì nhấp nhô bề mặt giảm ( độ bóng sẽ tăng).