Giáo trình kỹ thuật gia công cắt gọt kim loại

Đề cương học phần Kỹ thuật gia công cắt gọt kim loại CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NGUYÊN LÝ VÀ DỤNG CỤ GIA CÔNG CẮT GỌT 1.1 Sự tạo hình bề mặt gia cơng máy cắt kim loại Các bề mặt chi tiết gia công thường gặp ngành chế tạo máy đa dạng kích thước phong phú hình dạng Nhưng phần lớn chúng thuộc dạng bề mặt sau: dạng bề mặt có đường chuẩn đường trịn, dạng bề mặt có đường chuẩn đường thẳng, dạng bề mặt đặc biệt 1/ Dạng bề mặt có đường chuẩn đường trịn Bề mặt có đường chuẩn đường trịn bề mặt tạo thành cho đường sinh chuyển động tương đối xung quanh đường chuẩn trịn (hình 1.3) với đặc trưng có trục đối xứng, tâm đối xứng a)Hình trụ b) Hình Hình 1.1 – Các bề mặt gia cơng trịn xoay đường sinh thẳng Bề mặt trụ bề mặt tròn xoay có đường sinh thẳng song song với đường tâm khối trụ đường chuẩn đường trịn (hình 1.1 a) Bề mặt bề mặt trịn xoay có đường sinh thẳng giao với đường tâm khối côn đường chuẩn đường trịn (hình 1.1 b) Bộ môn công nghệ CTM 1 Đề cương học phần Kỹ thuật gia công cắt gọt kim loại Nếu đường sinh đường cong (hình 1.2 a) tạo thành bề mặt trịn xoay có hình tang trống Bề mặt hình dạng ren bề mặt đặc thù ngành chế tạo máy có đường sinh đường gẫy khúc, đường chuẩn đường tròn đường thẳng song song với đường tâm khối ren (hình 1.2 b) Hình 1.2 Các bề mặt gia công đường sinh cong gẫy khúc 2/ Dạng bề mặt có đường chuẩn đường thẳng Hình 1.3 Các dạng mặt có đường chuẩn thẳng Các bề mặt có đường chuẩn đường thẳng gồm bề mặt qui ước tạo thành đường sinh đường thẳng, đường cong đường gấp khúc chuyển động trượt đường chuẩn đường thẳng trình bày hình 1.3 (a) 3/ Dạng bề mặt đặc biệt (cam, cánh tuoocbin, thân khai ) Các dạng bề mặt đặc biệt bề mặt không gian phức tạp có đường chuẩn đường cong đường thẳng, đường sinh đường thẳng đường thân khai Tuy nhiên việc phân biệt đường sinh đường chuẩn có tính chất tương đối Tùy Bộ mơn cơng nghệ CTM 2 Hình 1.4 Các dạng bề mặt đặc biệt Đề cương học phần Kỹ thuật gia công cắt gọt kim loại thuộc vào độ phức tạp bề mặt gia công, lựa chọn đường sinh đường chuẩn đưa đến sơ đồ động máy có độ phức tạp khác Các bề mặt đặc biệt trình bày hình 1.4 Để hình thành dạng bề mặt khác chi tiết gia công, ngành chế tạo máy cần thiết phải tạo đường sinh đường chuẩn tương ứng Nếu bề mặt gia công tạo thành từ đường sinh đường thẳng, đường tròn, đường xoắn acsimet đường thân khai máy cắt kim loại cần phối hợp hai chuyển động đơn giản là: thẳng quay tròn Để tạo thành đường sinh đường hypecbon, đường elip, đường xoắn log, máy cắt kim loại cần phải phối hợp hai chuyển động phức tạp là: thẳng quay trịn khơng 1.2 Các mặt vật gia công Bất kỳ phương pháp gia cơng nào, q trình hớt bỏ dần lớp lượng dư gia cơng (q trình cắt) hình thành chi tiết bề mặt có đặc điểm khác Xét thời điểm trình gia cơng (khi tiện), ba bề mặt phân biệt sau: +Mặt gia công: bề mặt phôi mà dao cắt đến theo qui luật chuyển động Tính chất bề mặt tính chất bề mặt phơi +Mặt gia cơng: bề mặt chi tiết mà dao cắt qua Tính chất bề mặt phản ánh kết tượng lý trình cắt +Mặt gia cơng: bề mặt chi tiết mà lưỡi dao trực tiếp thực tách phoi Cũng mặt nối tiếp mặt Hình 1.5 Các mặt vật gia cơng gia cơng mặt gia công Trên bề mặt diễn tượng phức tạp +Vùng cắt : Là phần kim loại cuả chi tiết vừa tách gần mũi dao lưỡi cắt chưa ngồi Đây vùng xảy trình lý phức tạp 1.3 Những yêu cầu vật liệu làm phần cắt dao a.Độ cứng:Thường vật liệu cần gia công chế tạo khí thép, gang… có độ cứng cao, để cắt được, vật liệu làm dao phần cắt dụng cụ phải có độ cứng cao độ cứng vật liệu gia công (60 – 65HRC) b.Độ bền học:Dụng cụ cắt thường phải làm việc điều kiện khắc nghiệt : tải trọng lớn không ổn định, nhiệt độ cao, ma sát lớn, rung động… Dễ làm lưỡi cắt dụng cụ sứt mẻ Do vật liệu làm phần cắt dụng cụ cần có độ bền học (sức bền uốn, kéo, nén, va đập…) cao tốt Bộ môn công nghệ CTM 3 Đề cương học phần Kỹ thuật gia cơng cắt gọt kim loại c.Tính chịu nóng:Ở vùng cắt, nơi tiếp xúc dụng cụ chi tiết gia công dụng cụ chi tiết gia công, kim loại bị biến dạng, ma sát…nên nhiệt độ cao (700 – 800 oC), có đạt đến hàng ngàn độ (khi mài) Ở nhiệt độ vật liệu làm dụng cụ cắt bị thay đổi cấu trúc chuyển biến pha làm cho tính cắt giảm xuống Vì vật liệu phần cắt dụng cụ cần có tính chịu nóng cao nghĩa giữ tính cắt nhiệt độ cao thời gian dài d.Tính chịu mài mịn:Làm việc điều kiện nhiệt độ cao, ma sát lớn mịn dao điều thường xảy Thông thường vật liệu cứng tính chống mài mịn cao Tuy nhiên điều kiện nhiệt độ cao cắt (700 – 800 0C) tuợng mài mịn học khơng chủ yếu nữa, mà mài mịn chủ yếu tượng chảy dính (bám dính vật liệu gia công vật liệu làm dụng cụ cắt) Ngoài việc giảm độ cứng phần cắt nhiệt độ cao khiến cho lúc tượng mòn xảy khốc liệt.Vì vậy, vật liệu làm phần cắt dụng cụ phải có tính chịu mịn cao c.Tính cơng nghệ:Vật liệu làm dụng cụ cắt phải dể chế tạo: dễ rèn, cán, dễ tạo hình cắt gọt, có tính thấm tơi cao, dễ nhiệt luyện… Ngoài yêu cầu chủ yếu nêu trên, vật liệu làm phần cắt dụng cụ phải có tính dẫn nhiệt tốt, độ dai chống va đập cao giá thành rẻ * Một cách lí tưởng, vật liệu dụng cụ cắt cần phải đảm bảo yêu cầu sau đây: Độ cứng đâm xuyên cao nhiệt độ cao để tăng tính chống mịn cào sước; Độ bền biến dạng cao để bảo tồn hình dáng lưỡi cắt khỏi biến dạng cong oằn tác động ứng suất phát sinh tạo phoi; Tính dẻo dai chịu va đập để chống lại mẻ vỡ lưỡi cắt, đặc biệt cắt khơng liên tục (có va đập); Tính trơ hóa học (ái lực hóa học thấp) với vật liệu gia cơng để chống lại mịn oxy hóa, mịn hóa học mịn khuyếch tán; Tính dẫn nhiệt cao để giảm nhiệt cắt gần lưỡi cắt; Độ bền mỏi cao, đặc biệt với dụng cụ sử dụng cắt không liên tục; Độ bền mỏi nhiệt cao (thermal shock resistance) để bảo vệ dụng cụ không bị vỡ cắt không liên tục; Độ bền hình dạng cao (high stiffness) để đảm bảo độ xác gia cơng; Tính trơn trượt thỏa đáng (adequate lubricity) – ma sát nhỏ với vật liệu gia cơng để hạn chế việc hình thành lẹo dao, đặc biệt gia công vật liệu mềm dẻo 1.4 Các loại vật liệu làm dụng cụ cắt Để làm phần cắt dụng cụ, người ta dùng loại dụng cụ khác tuỳ thuộc váo tính lý vật liệu cần gia công diều kiện sản xuất cụ thể Dưới giới thiệu làm phần cắt dụng cụ theo phát triển hoàn thiện khả làm việc chúng Thép Cacbon dụng cụ: Bộ môn công nghệ CTM 4 Đề cương học phần Kỹ thuật gia công cắt gọt kim loại Để đạt độ cứng, tính chịu nhiệt chịu mài mòn, lượng C thép Cacbon dụng cụ 0,7% (thường từ 0,7- 1,3%)và lượng P, S thấp (P< 0,035%, S < 0,025%) Độ cứng sau ram đạt HRC = 58-62 -Sau ủ độ cứng đạt đượckhoảng HB = 107-217 nên dễ gia công cắt gia công áp lực -Độthấm nên thường nước dễ gây nứt vỡ dụng cụ có kích thước lớn -Tính chịu nóng kém, độ cứng giảm nhanh nhiệt độ đạt đến 200 o – 250oC ứng với tốc độ cắt 4-5 m/ph -Khó mài dễ biến dạng nhiệt luyện dùng để chế tạo dụng cụ định hình, cần phải mài theo prơphin chế tạo - Dễ gia công cắt dễ mài sắc - Rẻ tiền - Có độ dẻo dai cao + Phạm vi sử dụng: - Dùng làm dụng cụ cắt có vận tốc cắt thấp; dụng cụ cầm tay; dụng cụ gia công hợp kim màu, dụng cụ cắt gỗ Dưới nêu thành phần hóa học, lý tính phạm vi ứng dụng số mác thép Cácbon dụng cụ thường gặp Giả sử ta có nhãn hiệuY10A -Chữ Y: kí hiệu Cácbon -Chữ A:kí hiệu chất lượng tốt(hàm lượng P,S 70-71) -Độ chịu nhiệt cao:800-10000C, tốc độ cắt cho phép HKC đạt đến V >100 m/ph -Độ chịu mòn gấp 1,5 lần so với thép gió -Chịu nén tốt chịu uốn (hàm lượng Coban lớn sức bền uốn cao) Hợp kim cứng chế tạo qua giai đoạn sau: -Tạo bột Vonfram, Titan Tantan nguyên chất - Tạo Cácbit tương ứng từ bột nguyên chất W, Ti, Ta -Trộn bột Cácbit vời bột Coban theo thành phần tương ứng với loại hợp kim cứng -Ép hỗn hợp áp suất lớn (100-140MN/mm2) nung sơ đến 900oC khoảng -Tạo hình theo dạng yêu cầu -Thêu kết lần cuối nhiệt độ cao1400- 15000C đến tạo thành HKC Sau thêu kết, HKC có độ cứng cao nên gia cơng phương pháp mài phương pháp đặc biệt (điện hoá, tia lửa điện…) Hợp kim cứng loại kim loại bột nên có độ xốp (khoảng 5%) Hạt cácbit mịn, phân bố tính tính hợp kim cứng cao, chủ yếu độ cứng tính chịu mài mịn Độ cứng hợp kim cứng phụ thuộc vào lượng Cácbit Vonfram, Cácbit Titan Cácbit Tantan Lượng Cácbit lớn độ cứng cao Lượng coban nhiều độ cứng giãm, nhiên độ bền tính dẽo tăng Có ba nhóm hợp kim cứng thường gặp sau: Bộ môn công nghệ CTM 7 Đề cương học phần Kỹ thuật gia công cắt gọt kim loại a Nhóm Cácbit – kí hiệu K (ISO) BK (Nga) thành phần gồm: Cácbitvonfram (WC) Coban (Co) nhóm chủ yếu để gia cơng vật liệu giịn :gang, kim loại màu… b.Nhóm hai cácbit – kí hiệu P (ISO) TK (Nga) thành phần gồm: Cácbit Vonfram (WC), Cácbit Titan (TiC) Coban (Co) Nhóm hai Cácbit có tính chóng dính cao nên dùng để gia cơng kim loại dẽo thép,…(thường hình thành phoi dây cắt có nhiệt độ căt cao mặt trước) c Nhóm ba cácbit – kí hiệu M (ISO) TTK ( Nga) thành phần gồm: Cácbit Vonfram (WC), Cácbit Titan (TiC) Coban (Co) Cácbit Tantan (TaC) Loại thường dùng để gia công loại vật liệu khó gia cơng Ở nước ta, sản xuất thử nghiệm hợp kim cứng Tuy nhiên chất lượng chưa ổn định, mặt khác giá thành cao ISO phân hợp kim cứng theo ba nhóm tạo phoi: - Nhóm kí hiệu P cho vật liệu cắt phoi dây - Nhóm kí hiệu M loại vạn dùng gia cơng loại vật liệu cắt phoi dây phoi xếp - Nhóm loại K dùng gia cơng loại vật liệu cho phoi hạt phoi vụn Đặt tính chung hợp kim cứng tăng độ cứng tính chịu mài mịn giảm tính dẻo Khi tăng tính dẻo (tăng lượng Coban) làm giảm tính mài mịn tính chịu nhiệt Sự phát triển hợp kim cứng xuất phát từ nhóm cơng cụ (ví dụ: loại P10, P20, P30) theo hai hướng Một hướng tăng thành phần Cácbít Titan (ví dụ P03) làm tăng tính chịu mịn cắt tốc độ cao Hướng thứ hai tạo hợp kim cứng có độ dẻo cao dùng để cắt loại vật liệu có độ cứng va đập mạnh (ví dụ, bào tiện thô) với tốc độ cắt thấp, diện tích lực cắt lớn Các loại hợp kim cứng P40, P50 để gia cơng thép có thành phần Coban (Co) tương đối lớn Hợp kim cứng chế tạo thành dạng theo tiêu chuẩn (các mảnh hợp kim cứng) Các mảnh hàn, kẹp lên thân dụng cụ tiêu chuẩn Ngày nay, mảnh hợp kim cứng phủ lên lớp mỏng vài mirômet loại cácbít cứng TiC, TiC/ TiN (Cácbít Titan, Nitrít Titan) Các lớp phủ làm tăng độ cứng, tính chịu mài mịn chịu nhiệt hợp kim cứng (độ cứng > 91 HRA, chịu nhiệt độ khoảng1000 độ C, ứng với tốc độ cắt V>300m/ph Để sử dụng hợp lí có hiệu hợp kim cứng cần ý điều kiện sau: * Chế độ gia công: - Lựa chọn hợp kim cứng cho vật liệu gia cơng (các nhóm P,K) theo u cầu gia công (gia công, thô, tinh, lần cuối) Bộ môn công nghệ CTM 8 Đề cương học phần Kỹ thuật gia công cắt gọt kim loại - Xác định chế độ gia công (tốc độ cắt lượng chạy dao, chiều sâu cắt) phù hợp cặp vật liệu (chi tiết- dụng cụcắt) yêu cầu gia công cần ý đến việc lựa chọn tuổi bền kinh tế - Không dùng dung dich trơn nguội (gia côngkhô) phải tưới mạnh nhiều *Đối với dụng cụ: - Xác định thơng số hình học theo điều kiện gia cơng - Đảm bảo kích thước thân dụng cụ để gia cơng khơng có rung động - Mài sắc hợp lý từ từ đá mài sẳn Cácbít Silíc đá mài kim cương *Đối với máy công cụ: -Máy có độ cứng vững tốt khơng rung động tốc độ cắt cao lực cắt lớn đảo bảo kẹp chặt tốt dụng cụ chi tiết -Kiểm tra công suất cắt công suất máy để tránh tải Vật liệu gốm: Vật liệu gốm nghiên cứu từ năn1930 đưa vào sử dụng sau 1950 Thành phần gốm “đất sét kỹ thuật”(Al 2O3) gồm hai pha oxít nhơm: γAl2O3 có ρ =3,65g/cm3 α Ai2O3 với ρ=3,96g/cm3 *Các tính chủ yếu vật liệu gốm: + Độ cứng tính giòn cao + Chịu mòn chịu nhiệt cao nên thường dùng để cắt tốc độ cao + Tính dẫn nhiệt nên cắt khơng dùng dung dịch trơn nguội + Tính dẽo sức bền uống kém, khơng dùng để gia cơng có rung động, va đập lực cắt lớn + Mài sắc đá mài kim cương *Phạm vi sử dụng vật liệu gốm: - Tốc độ cắt không nhỏ 100m/ph - Khi gia công thép, tốc độ cắt: V=1 – lần so với cắt HKC - Khi gia công gang, tốc độ cắt V = – lần so với HKC - Tốc độ cắt tinh lớn gia công thép xây dựng đạt đến 600m/ph, gia cơng gang, V = 800m/ph - Vì chịu rung rộng va đập nên chủ yếu dùng để gia công tinh chiều sâu cắt lượng chạy dao bé -Vì tính dẫn nhiệt nên khơng dùng dung dịch trơng nguội cắt Riêng Nitritsilic (Si3N4) có sức bền tính dẫn nhiệt cao Oxit nhơm khoảng bốn lần nên dùng dung dịch trơn nguội - Nhờ có tính mịn cao nên thường dùng để gia cơng lần cuối để đạt độ xác kích thước độ nhẵn bề mặt cao - Các mảnh dao gốm thường kẹp khí vào thân dao không mài sắc lại 6.Vật liệu tổng hợp (nhân tạo) siêu cứng: Bộ môn công nghệ CTM 9 Đề cương học phần Kỹ thuật gia công cắt gọt kim loại Sau vật liệu gốm, người ta tiếp tục nghiên cứu chế tạo loại vật liệu làm dụng cụ Đó vật liệu tổng hợp siêu cứng Có hai loại thường gặp là: kim cương tổng hợp Nitrit Bo lập phương (còn gọi El bo) a>Kim cương nhân tạo: + Nhận từ việc nén grafit nhiệt độ 27000C với áp suất đến 100,000 at + Ưu điểm: - Độ cứng cao: HV = 100,000 MPa; độ bền mòn lớn - Hoạt tính hóa học nên chịu tác dụng axit bazơ - Hệ số ma sát & khả hàn dính với kim loại ( trừ kim loại & HKđen) - Hệ số dẫn nhiệt cao: λ = (138.2 – 146.5) W/m.0K - Độ bền nhiệt cao: 8000C - Dễ nhận lưỡi cắt sắc (ρ