bài giảng thiết kế dụng cụ cắt

1 TRƯỜNG ðẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ NGÔ QUANG TRỌNG BÀI GIẢNG THIẾT KẾ DỤNG CỤ CẮT Nha Trang, 2011 2 Mục lục Mục lục 1 VẤN ðỀ 1 6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ DỤNG CỤ CẮT 6 1.1 Cơ sở lý thuyết tạo hình bề mặt: 6 1.2 ðộng học tạo hình bề mặt chi tiết 7 1.2.1 Nhóm bậc 0 8 1.2.2 Nhóm bậc 1 8 1.2.3 Nhóm bậc 2 9 1.2.4 Nhóm 3 9 1.3 Mặt khởi thủy K của dụng cụ cắt 10 1.4.1 Phương pháp xác ñịnh mặt khởi thủy K của dụng cụ bằng mặt bao của họ mặt chi tiết C. 10 1.4.2 Phương pháp giải tích xác ñịnh mặt khởi thủy K 11 1.4.3 Phương pháp ñộng học xác ñịnh mặt khởi thủy K 11 1.4 Những ñiều kiện ñể tạo hình ñúng bề mặt chi tiết 13 1.4.1 ðiều kiện cần 13 1.4.2 ðiều kiện ñủ 14 VẤN ðỀ 2 17 DỤNG CỤ CẮT ðƠN VÀ DỤNG CỤ CẮT TIÊU CHUẨN 17 2.1 Công dụng và phân loại 17 2.2 Thông số hình học phần cắt của dụng cụ 18 2.2.1 Các chuyển ñộng khi cắt 18 2.2.2 Các mặt phẳng tọa ñộ và các tiết diện 18 2.2.3 Các góc phần cắt của dụng cụ 19 2.3 Xác ñịnh kích thước thân dao tiện 20 VẤN ðỀ 3 22 THIẾT KẾ DAO TIỆN ðỊNH HÌNH GIA CÔNG BỀ MẶT TRÒN XOAY TRÊN MÁY TIỆN 22 3.1. Công dụng, phân loại và phạm vi sử dụng 22 3.2. Mặt trước, mặt sau và kết cấu dao tiện 24 3.3. Thiết kế dao tiện ñịnh hình hướng kính 25 3.3.1. Góc trước, góc sau tại các ñiểm cắt nhau trên lưỡi cắt dao tiện ñịnh hình . 26 3.3.2. Xác ñịnh profin lưỡi cắt dao tiện ñịnh hình hướng kính gá thẳng 27 3.4. Sai số khi gia công bằng dao tiện ñịnh hình 31 3.4.1. Khảo sát sai số khi gia công chi tiết bằng dao tiện ñịnh hình hình lăng trụ: 31 3.4.2. Khảo sát sai số khi gia công chi tiết bằng dao tiện ñịnh hình hình tròn: 32 3.5. Chiều rộng B của dao tiện ñịnh hình: 33 3.6. Hình dáng và kích thước kết cấu dao tiện ñịnh hình: 33 VẤN ðỀ 4 35 THIẾT KẾ DAO PHAY RĂNG NHỌN 35 4.1. Các yếu tố kết cấu chung của dao phay: 35 4.1.1. ðường kính dao phay: 35 4.1.2. Kích thước lắp ghép: 36 4.1.3. Số răng: 37 4.1.4. Các góc ở răng và rãnh răng: 38 4.1.5. Dạng răng và rãnh: 38 3 4.2. Thông số hình học phần cắt của dao phay: 39 4.2.1. Góc sau α: 39 4.2.2. Góc trước γ: 40 4.2.3. Góc nghiêng chính φ: 40 4.2.4. Góc nghiêng phụ φ 1 : 40 4.2.5. Góc nâng của lưỡi cắt chính λ: 40 4.2.6. Góc nghiêng của rãnh xoắn ω: 41 VẤN ðỀ 5 43 THIẾT KẾ DAO PHAY LƯNG 43 5.1. Các yếu tố kết cấu chung của dao phay: 43 5.2. ðường cong hớt lưng dao phay: 43 5.2.1. ðường cong hớt lưng dao phay: 43 5.2.2. Phương trình ñường cong hớt lưng là ñường xoắn Acsimet: 44 5.2.3. Lượng hớt lưng K và góc sau ở ñỉnh răng α d 44 5.3. Thông số hình học phần cắt của dao phay hớt lưng 45 VẤN ðỀ 6 48 THIẾT KẾ MŨI KHOAN 48 6.1. Công dụng và phân loại 48 6.2. Các yếu tố kết cấu của mũi khoan rãnh xoắn 48 6.2.1. Góc ở ñỉnh 2φ 48 6.2.2. Góc nghiêng của rãnh xoắn 50 6.2.3. Các góc của lưỡi cắt 51 6.3. Các kiểu mũi khoan 53 6.3.1. Mũi khoan ñược làm nguội từ phía trong 53 6.3.2. Mũi khoan gắn mảnh hợp kim cứng 53 VẤN ðỀ 7 55 THIẾT KẾ MŨI KHOÉT 55 7.1. Công dụng và phân loại 55 7.2. Các yếu tố kết cấu của mũi khoét 55 7.2.1. Số rãnh 55 7.2.2. Phần cắt 55 7.2.3. Phần sửa ñúng 56 7.2.4. Các góc cắt 56 7.2.5. Góc nghiêng của rãnh 57 7.2.6. Biên dạng rãnh 57 7.2.7. Dung sai ñường kính mũi khoét 58 7.3. Các kiểu mũi khoét 59 7.3.1. Mũi khoét hai răng 59 7.3.2. Mũi khoét lỗ trụ chìm 60 7.3.3. Mũi khoét lỗ côn chìm 60 VẤN ðỀ 8 62 THIẾT KẾ MŨI DOA 62 8.1. Công dụng và phân loại 62 8.2. Các yếu tố kết cấu của mũi doa 62 8.2.1. Phần cắt 62 8.2.2. Phần sửa ñúng 63 8.2.3. Số răng 63 8.2.4. Hướng của răng 63 4 8.2.5. Góc sau và góc trước của phần cắt 64 8.2.6. Cạnh viền 65 8.2.7. Dạng rãnh 65 8.2.8. Sự phân bố răng không ñồng ñều 66 8.2.9. Phần kẹp chặt 66 8.3. Các kiểu mũi doa 66 8.3.1. Mũi doa tăng 66 8.3.2. Mũi doa hợp kim cứng 67 8.3.3. Mũi doa lắp răng 67 8.3.4. Mũi doa côn 68 VẤN ðỀ 9 70 THIẾT KẾ DAO CHUỐT 70 9.1. Công dụng và phân loại 70 9.2. Các bộ phận của dao chuốt 70 9.2.1. Phần ñầu kẹp dao 70 9.2.2. Phần cổ và phần côn chuyển tiếp 71 9.2.3. Phần ñịnh hướng trước 72 9.2.4. Phần ñịnh hướng sau 72 9.4. Sơ ñồ cắt và các dạng dao chuốt 73 9.4.1. Dao chuốt cắt ñơn 73 9.4.2. Dao chuốt cắt nhóm 74 9.5. Phương pháp chủ yếu tạo bề mặt bằng dao chuốt 76 9.6. Phần làm việc của dao chuốt 77 9.6.1. Răng cắt thô 77 9.6.2. Răng cắt tinh, răng sửa ñúng và chiều dài của dao chuốt 84 9.6.3. Chiều dài toàn bộ dao chuốt 86 9.6.4. Dung sai kích thước dao chuốt 87 VẤN ðỀ 10 89 THIẾT KẾ DỤNG CỤ GIA CÔNG REN 89 10.1. Dao tiện ren và các thông số hình học 89 10.1.1. Dao tiện ren ñơn 89 10.1.2. Dao tiện ren hình thang 91 10.2. Taro ren 93 10.2.1. Công dụng và phân loại 93 10.2.2. Các thành phần kết cấu của taro 93 10.3. BÀN REN 98 10.3.1. Công dụng và phân loại 98 10.3.2. Kết cấu bàn ren tròn 99 10.3.3. Các góc ỏ phần cắt 102 10.3.4. Dung sai kích thước ren 102 10.4. GIA CÔNG REN BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG DẺO 103 10.4.1. Quá trình cán ren 103 10.4.2. Dụng cụ cán ren 103 VẤN ðỀ 11 106 THIẾT KẾ DỤNG CỤ GIA CÔNG RĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ðỊNH HÌNH 106 11.1. Dao phay vấu mô ñun 106 11.2. Dao phay ñĩa mô ñun 106 11.3. Tính toán profil dao phay ñĩa mô ñun 106 5 11.4. Bộ dao phay ñĩa môñun 107 VẤN ðỀ 12 109 THIẾT KẾ DỤNG CỤ GIA CÔNG RĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP BAO HÌNH 109 12.1. Khái niệm cơ bản 109 12.2. Thiết kế các dụng cụ cắt răng theo nguyên lý bao hình có tâm tích gia công bánh răng trụ thân khai 109 12.2.1. Các loại mặt xoắn vít dùng trong thiết kế dụng cụ cắt 109 12.3. Thiết kế dao phay lăn răng 112 12.3.1. Nguyên lý làm việc 112 12.3.2. Kết cấu dao phay lăn răng 112 12.3.3. Thiết kế prôfin dao phay lăn răng 114 12.4. Thiết kế dao xọc răng thân khai 115 12.4.1. Nguyên lý làm việc và kết cấu 115 12.4.2. Các góc cắt của răng 116 12.4.3. Khoảng cách khởi thủy a của dao xọc 118 VẤN ðỀ 13 119 ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO DỤNG CỤ CẮT 119 13.1. Mở ñầu 119 13.2. Mô hình khung dây 119 13.2.1. Biểu diễn các ñường cong phân tích 119 13.2.2. Biểu diễn các ñường cong tổ hợp 121 13.3. Mô hình bề mặt 125 3 13.4. Mô hình khối rắn 128 6 13.4.1. Mô hình CSG (constructive solid geometry) 129 7 13.4.2. Mô hình biểu diễn biên B-rep 130 8 13.4.3. Biểu diễn quét (sweep representation) 131 9 Tài liệu tham khảo: 131 9 6 VẤN ðỀ 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ DỤNG CỤ CẮT 1.1 Cơ sở lý thuyết tạo hình bề mặt: Một bề mặt sẽ ñược hình thành do một ñường sinh nào ñó chuyển ñộng theo một qui luật nhất ñịnh. Các chuyển ñộng ñó là ñộng học hình thành bề mặt. Dụng cụ cắt ñể có thể cắt gọt các chi tiết khác nhau thì lưỡi cắt của dụng cụ cắt phải ăn sâu vào vật liệu của phôi và cắt, tách các phần kim loại dư ra khỏi chi tiết dưới dạng phoi cắt. Do ñó, thì hình dạng của chi tiết là yếu tố quyết ñịnh ñến hình dạng của lưỡi cắt của dụng cụ cắt, cũng như quyết ñịnh ñến các chuyển ñộng tương ñối của dụng cụ và chi tiết. Khi lưỡi cắt của dụng cụ hình thành ñược bề mặt gia công, có nghĩa là lưỡi cắt phải nằm trên mặt tiếp tuyến và tiếp xúc với bề mặt chi tiết trong suốt quá trình gia công. Mặt tiếp xúc ñược gọi là mặt khởi thủy của dụng cụ. Quĩ ñạo chuyển ñộng tương ñối tại mỗi ñiểm của lưỡi cắt so với phôi là kết quả chuyển ñộng tổng hợp do dụng cụ và chi tiết thực hiện trên máy. Vậy, cũng có thể nói rằng, tập hợp các chuyển ñộng của bề mặt dụng cụ và chi tiết trong quá trình cắt chính là sơ ñồ ñộng học tạo hình của quá trình cắt. Sơ ñồ ñộng học tạo hình khi cắt nói chung khác với sơ ñồ ñộng học của máy. Ví dụ: khi tiện mặt trụ ngoài, sơ ñồ ñộng học tạo hình chỉ gồm chuyển ñộng quay tròn của chi tiết, chuyển ñộng tịnh tiến dọc trục của dao. Trong khi ñó, sơ ñồ ñộng học của máy thì còn phải ñảm bảo chuyển ñộng chạy dao ngang là chuyển ñộng ñể ñưa dụng cụ vào vị trí cần thiết ñể ñạt ñược ñường kính ñã cho của chi tiết. Việc nghiên cứu sơ ñồ ñộng học tạo hình có ý nghĩa rất quan trọng trong việc gia công kim loại vì các thông số hình học phần cắt của dụng cụ, chế ñộ cắt, năng suất lao ñộng, sự mài mòn, tuổi bền của dụng cụ ứng với phương pháp gia công ñã chọn phụ thuộc rất nhiều vào nó. ðể ñơn giản các chuyển ñộng của máy cắt, người ta thường dùng sơ ñồ ñộng học tạo hình dựa trên tổ hợp hai chuyển ñộng cơ bản của phôi và dụng cụ là: chuyển ñộng tịnh tiến và chuyển ñộng quay tròn. ðộ phức tạp của sơ ñồ ñộng học tạo hình phụ thuộc vào số lượng các chuyển ñộng thành phần và ñặc trưng tổ hợp của nó. Ta có các nhóm như sau: Nhóm có 1 chuyển ñộng: - một chuyển ñộng thẳng - một chuyển ñộng quay Nhóm có 2 chuyển ñộng: - hai chuyển ñộng thẳng - hai chuyển ñộng quay 7 - một chuyển ñộng thẳng và một chuyển ñộng quay Nhóm có 3 chuyển ñộng: - hai chuyển ñộng thẳng và một chuyển ñộng quay - hai chuyển ñộng quay và một chuyển ñộng thẳng - ba chuyển ñộng quay Về mặt nguyên lý có thể tổ hợp nhiều yếu tố chuyển ñộng hơn, nhưng trong thực tiễn ứng dụng thì ñiều này bị giới hạn bởi ñộ phức tạp của tổ hợp và khó khăn trong việc chế tạo các thiết bị tương ứng. 1.2 ðộng học tạo hình bề mặt chi tiết Khi tạo hình bề mặt chi tiết thì cần phải nghiên cứu các phương án khác nhau của sự phối hợp các chuyển ñộng của chi tiết ñối với dụng cụ. Bảng 1.1 giới thiệu các sơ ñồ tạo hình bề mặt với chuyển ñộng chính là tịnh tiến và quay tròn. Cặp bề mặt Loại sơ ñồ Kiểu sơ ñồ Các chuyển ñộng thành phần của chi tiết gia công và dụng cụ khi tạo hình Chuyển ñộng tổng hợp tức thời Chuyển ñộng tương ñối với sự trợ giúp của cặp bề mặt Sơ ñồ vị trí tương hỗ của cặp bề mặt Dụng cụ Vật gia công 1 Tịnh tiến Tịnh tiến ðường thẳng ðường thẳng 2 Quay Quay - - I 3 Xoắn vít Xoắn vít - - 1 Quay và tịnh tiến với vận tốc vuông góc với trục quay Quay Sự dịch chuyển của trụ theo mặt phẳng Mặt phẳng Trụ 2 Hai chuyển ñộng quay quanh trục song song Quay Sự dịch chuyển của trụ theo trụ Trụ Trụ II 3 2 chuyển ñộng quay quanh trục cắt nhau Quay Sự dịch chuyển của mặt côn theo mặt phẳng Mặt phẳng Mặt côn 8 4 2 chuyển ñộng quay quanh trục cắt nhau Quay Sự dịch chuyển của mặt côn theo mặt côn Côn Côn 5 Bộ ñôi quay Tịnh tiến Sự trượt của vòng theo vòng Vòng Vòng Mặt phẳng trụ Trụ 1 Quay và tịnh tiến vận tốc có hướng tạo thành góc với trục quay Xoắn vít Sự dịch chuyển với sự trượt của trụ theo mặt phẳng Mặt phẳng Côn Mặt phẳng 2 2 chuyển ñộng quay quanh trục chéo nhau (góc hợp thành với trục quay và trục của ñường vít. Trục của vít tức thời và trục quay thứ 2 là 2 ñường chéo nhau Xoắn vít Sự dịch chuyển và sự trượt của mặt côn theo mặt phẳng Mặt phẳng Côn III 3 2 chuyển ñộng quay quanh trục chéo nhau Xoắn vít Sự dịch chuyển và sự trượt của mặt hypecbolit với mặt hypecboloit Hypecb oloit hypecb oloit 1.2.1 Nhóm bậc 0 Tập hợp các sơ ñồ ñộng học tạo hình khi bề mặt khởi thủy của dụng cụ trùng với bề mặt nguyên gốc chi tiết. Ví dụ: khi cắt ren bằng tarô, khi chuốt, khi ñột lỗ, lúc này chuyển ñộng tương hỗ gọi là chuyển ñộng tự trượt và ñể xác ñịnh bề mặt khởi thủy thì không cần quan tâm ñến chuyển ñộng này. 1.2.2 Nhóm bậc 1 Nhóm sơ ñồ tạo hình mà chuyển ñộng tương hỗ của dụng cụ ñối với chi tiết là chuyển ñộng tịnh tiến, xoay hoặc xoắn vít. Sơ ñồ ñược ñặc trưng ở chỗ là khi ñó các cặp bề mặt của phần tử quay và ñứng yên trùng nhau và tạo thành ñường thẳng. 9 Kiểu thứ nhất: chứa chuyển ñộng thẳng ñều. Theo sơ ñồ này, ñể tạo hình cho các loại dụng cụ chuốt ngoài các bề mặt tròn xoay, tiện bằng dao tiện ñịnh hình tiếp tuyến có phương chạy dao thẳng. Kiểu thứ hai: chứa các chuyển ñộng quay, ñể tạo hình các loại dụng cụ hoặc các loại bề mặt, ví dụ dao phay ñịnh hình ñể phay các bề mặt trụ, bề mặt xoắn vít hoặc bề mặt tròn xoay. Kiểu thứ ba: khi phay bánh răng có răng thẳng bằng dao phay lăn răng. Thực ra kiểu thứ nhất là trường hợp ñặc biệt của kiểu thứ ba khi trục quay ở vô cùng. 1.2.3 Nhóm bậc 2 Nhóm sơ ñồ ñộng học khi mà chuyển ñộng tương hỗ của dụng cụ và chi tiết là chuyển ñộng quay tức thời hay tịnh tiến thẳng. Các cặp ñộng học lăn theo nhau không có sự trượt. Chuyển ñộng tịnh tiến tức thời là chuyển ñộng tổng hợp của hai chuyển ñộng quay quanh hai trục song song có vận tốc góc và hướng giống nhau. Các bề mặt liên kết ñược tạo thành bởi các bề mặt sau: - Trụ - phẳng; - Trụ - trụ; - Côn – phẳng; - Côn – côn. Ví dụ: gia công bánh răng bằng dao xọc răng hoặc dao răng lược… ở các sơ ñồ ñộng học này, các cặp bề mặt giữa dụng cụ và chi tiết có thể ñổi chỗ cho nhau. chẳng hạn như ở sơ ñồ trụ - mặt phẳng, dụng cụ có thể là dao xọc răng hình ñĩa, chi tiết là thanh răng và ngược lại. Ở nhóm hai chứa kiểu sơ ñồ khi mà chuyển ñộng tức thời là kết quả của hai chuyển ñộng quay quanh các trục song song nhau hay ngoài nhau. Chuyển ñộng tịnh tiến có thể coi là trường hợp ñặc biệt của chuyển ñộng quay và có thể xem mặt phẳng là hình trụ có bán kính vô cùng lớn. 1.2.4 Nhóm 3 Nhóm chứa các sơ ñồ mà các chuyển ñộng tương hỗ là chuyển ñộng xoắn vít tức thời. Trong nhóm này thì các bề mặt tự lăn theo nhau có sự trượt. Các bề mặt gồm: - Trụ - phẳng; - Côn – phẳng; - Hai mặt hypecboloit. 10 Chuyển ñộng xoắn vít tổng hợp tức thời là tổng hợp của hai chuyển ñộng quay quanh các trục ngoài nhau và có thể hình dung nó như là bề mặt hypecboloit theo hypecboloit có gắn sự trượt. ðây là trường hợp tổng quát nhất, chẳng hạn như phay bánh răng bằng dao phay lăn răng. 1.3 Mặt khởi thủy K của dụng cụ cắt Dụng cụ cắt có thể xem như một vật thể bị giới hạn bởi một bề mặt, bề mặt ñó gọi là mặt khởi thủy K của dụng cụ cắt, trên ñó phân bố các lưỡi cắt có prôfin thích hợp ñể trực tiếp hình thành bề mặt chi tiết. Ví dụ, vật thể tròn xoay giới hạn bởi mặt tròn xoay K, trong quá trình gia công nó luôn tiếp tuyến với các bề mặt gia công của chi tiết. Sau khi tạo mặt trước rãnh thoát phoi và mặt sau thì vật thể ñó trở thành dụng cụ cắt, ñó chính là dao phay. Như vậy bề mặt khởi thủy K của dụng cụ cắt luôn phải tiếp xúc với bề mặt của chi tiết trong quá trình gia công. 1.4.1 Phương pháp xác ñịnh mặt khởi thủy K của dụng cụ bằng mặt bao của họ mặt chi tiết C. Trong quá trình gia công thì bề mặt chi tiết C thực hiện các chuyển ñộng tương ñối ñối với dụng cụ và hình thành tập hợp các vị trí tiếp xúc nhau ñược gọi là họ mặt C. Mặt khởi thủy K của dụng cụ là bề mặt tiếp xúc với họ mặt C ñó trong quá trình chuyển ñộng tạo hình. Do ñó mặt khởi thủy K của dụng cụ chính là mặt bao của họ mặt chi tiết C. Hai mặt C và K tiếp xúc với nhau theo một ñường E gọi là ñường ñặc tính. Nói cách khác, ñường ñặc tính E là ñường tiếp xúc của cặp ñộng học bề mặt C và K. Ví dụ: Hãy tìm bề mặt khởi thủy K của dụng cụ gia công mặt tròn C. Ta có Sơ ñồ gia công là: - Chuyển ñộng quay của chi tiết quanh trục O 1 - Chuyển ñộng tịnh tiến dọc trục O 1 Dụng cụ quay quanh trục O 2 vuông góc với trục O 1 . Mặt khởi thủy K là mặt bao của họ mặt chi tiết C khi nó chuyển ñộng tương ñối so với dụng cụ. Mặt K sẽ là mặt cong lõm, ñược hình thành bằng cách quay ñường ñặc tính E quanh trục O 2 . Nếu dùng bề mặt khởi thủy như thế làm bề mặt dụng cụ thì với sơ ñồ cắt như hình 1.1 sẽ gia công ñược bề mặt trụ tròn xoay của chi tiết C. [...]... b m t chuy n ñ ng C, chuy n ñ ng c a C có th phân tích thành nhi u thành ph n, và vi c phân tích ñó s h p lý hơn n u có m t trong nh ng thành ph n ñó gây ra s trư t c a b n thân C và như v y s làm cho bài toán tr nên ñơn gi n Ví d : xác ñ nh ñư ng ñ c tính c a m t m t ph ng có chuy n ñ ng xo n vít Góc gi a tr c c a chuy n ñ ng vít và m t ph ng P là φ Chuy n ñ ng xo n vít c a → m t ph ng P ñư c phân . bền của dụng cụ có thể ñược tăng lên 1,5-5 lần tùy theo các ñiều kiện sử dụng. 17 VẤN ðỀ 2 DỤNG CỤ CẮT ðƠN VÀ DỤNG CỤ CẮT TIÊU CHUẨN 2.1 Công dụng và phân loại Dụng cụ cắt hay còn. QUANG TRỌNG BÀI GIẢNG THIẾT KẾ DỤNG CỤ CẮT Nha Trang, 2011 2 Mục lục Mục lục 1 VẤN ðỀ 1 6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ DỤNG CỤ CẮT 6 1.1 Cơ sở lý. ñủ 14 VẤN ðỀ 2 17 DỤNG CỤ CẮT ðƠN VÀ DỤNG CỤ CẮT TIÊU CHUẨN 17 2.1 Công dụng và phân loại 17 2.2 Thông số hình học phần cắt của dụng cụ 18 2.2.1 Các chuyển ñộng khi cắt 18 2.2.2 Các