Bài Giảng Máy và dụng cụ

Chương I CƠ BẢN VỀ CẮT KIM LOẠI TRÊN MÁY CÔNG CỤ 1.1 Giới thiệu Máy dụng cụ thiết bị cần thiết sản xuất gia công chế tạo chi tiết, cấu máy móc sản phẩm dùng ngành kỹ thuật, sản xuất, quốc phòng phục vụ dân sinh Chế tạo tác động đến vật liệu để tạo sản phẩm Công nghệ chế tạo có nhiều phương pháp khác cơng nghệ đúc, cơng nghệ hàn, gia cơng định hình, gia cơng - Công nghệ đúc: Đúc khuôn cát, đúc áp lực, đức ly tâm, đúc mẫu chảy,… - Công nghệ hàn: Hàn hồ quang, hàn điên trở, hàn laser, plasma,… - Gia cơng định hình: Cán, ép, đùn, dập, đột, uốn,… - Gia công cơ: Cắt gọt theo công nghệ truyền thống tiện, khoan, phay, bào, xọc, chuốt,… gia công theo công nghệ tiên tiến gia công điện, hóa, tia,… Trong cơng nghệ gia cơng bao gồm hàng loạt yếu tố cần đánh giá lựa chọn cách hợp lý để đảm bảo hiệu cao Máy,dụng cụ đồ gá cần xác định cho q trình gia cơng sản phẩm với kết đạt độ xác, chất lượng bề mặt suất, hiệu kinh tế tác động ảnh hưởng đến mơi trường Hình 1.1 tổng quan chung yếu tố công nghệ gia công inputs Công nghệ gia công outputs Năng suất/Kinh tế Máy cơng cụ Độ xác sản phẩm Dụng cụ đồ gá Gia công Chất lượng bề mặt Phôi Sản phẩm thiết kế Tác động môi trường Hình 1.1- Các yếu tố cơng nghệ gia công 1.2 Các chuyển động máy cơng cụ Các chi tiết hình thành từ bề mặt Q trình gia cơng chi tiết máy cơng cụ q trình tạo lên bề mặt chi tiết Các bề mặt gồm: Mặt phẳng, mặt tròn xoay, mặt kẻ, mặt xoắn vít bề mặt phức tạp khác,… Để hình thành bề mặt (gia cơng) máy cơng cụ cần phải có chuyển động để bóc tách (cắt) kim loại khỏi phôi tạo huyển động tương đối dụng cụ chi tiết gia công (phôi) a Chuyển động cắt gọt - Gia công bào mặt phẳng: + Dao chuyển động tịnh tiến T1 để cắt vật liệu, tạo phoi- gọi chuyển động cắt + Phơi chuyển động tịnh tiến gián đoạn T2 (sau hành trình kép T1 dao) để trì trình cắt- gọi chuyển động chạy dao Hình 1.2- Bào mặt phẳng - Gia cơng tiện bề mặt trụ: + Phôi chuyển động quay Q để cắt vật liệu, tạo phoi- gọi chuyển động cắt + Dao tiện chuyển động tịnh tiến T để trì trình cắt- gọi chuyển động chạy dao Hình 1.3- Tiện bề mặt trụ Cơ chế trình cắt- trình tạo phoi  af E A B I D C P a II O N Hình 1.4- Sơ đồ hóa miền tạo phoi Quá trình cắt kim loại trình tác dụng ngoại lực qua phần cắt dụng cụ vào lớp cắt Lớp cắt bị biến dạng đàn hồi, dẻo đứt tạo thành phoi Dưới tác dụng lực P, dao cắt bắt đầu nén vật liệu gia công (lớp cắt) theo mặt trước Khi tăng P dao tiếp tục chuyển động (nén vật liệu gia công), lớp cắt xuất biến dạng đàn hồi nhanh sang biến dạng dẻo lớp phoi có chiều dày af hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a dịch chuyển dọc theo mặt trước dao Qua nghiên cứu thực nghiệm chụp ảnh tế vi khu vực tạo phoi thấy trước biến thành phoi, lớp kim loại bị cắt trải qua giai đoạn biến dạng định, nghĩa lớp kim loại bị cắt phoi có vùng biến dạng- vùng gọi miền tạo phoi Miền sơ đồ hóa hình 1.4, có mặt trượt OA, OB, OC, OD, OE Miền tạo phoi giới hạn đường OA, dọc theo phát sinh biến dạng dẻo đường OE- đường kết thúc biến dạng dẻo đứt Đường AE nối liền khu vực chưa biến dạng kim loại phoi Chiều rộng miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia cơng, điều kiện cắt thơng số hình học phần cắt dụng cụ Lớp kim loại bị cắt sau bị biến dạng miền tạo phoi, chuyển thành phoi chịu biến dạng thêm ma sát mặt trước dao phoi (vùng I) Ngoài đặc điểm q trình biến dạng dư vật liệu gia cơng đường ON (vùng II) bị biến dạng dẻo (biến dạng lớp bề mặt)  af E F A E' a'f P A' a  O Hình 1.5- Miền tạo phoi với tốc độ cắt khác Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn đến miền tạo phoi Khi tăng tốc độ cắt V vật liệu gia công chuyển qua miền tạo phoi với tốc độ nhanh Khi miền tạo phoi xem gần trình biến dạng dẻo xảy lân cận mặt OF qua lưỡi cắt làm với phương chuyển động dao góc θ Mặt OF gọi mặt trượt góc θ góc trượt Góc trượt xác định sau  L1 af F  B a  C O L Hình 1.6- Sơ đồ hóa tính góc trượt K af a  cos  OF cos(   ) cos(   )   tg  K  sin  OF sin  sin  Chuyển động cắt gọt chuyển động cần thiết để thực trì trình tách phoi khỏi phơi Bao gồm: -Chuyển động cắt chính: Là chuyển động để tạo phoi Nó tiêu thụ cơng suất lớn q trình cắt -Chuyển động chạy dao: Là chuyển động cần thiết để trì trình cắt b Chuyển động tạo hình Quá trình tạo hình bề mặt trình tạo nên đường tạo hình đường sinh đường chuẩn (Cho đường sinh dịch chuyển theo đường chuẩn để tạo nên bề mặt gia cơng) Chuyển động tạo hình chuyển động cần thiết để tạo nên đường sinh đường chuẩn Để cho máy đơn giản thiết kế người ta thường làm trùng chuyển động tạo hình với chuyển động cắt gọt Ví dụ tiện ren (hình1.4a) chuyển động quay phơi (n) chuyển động cắt chính, chuyển động tịnh tiến (s) dao tiện chuyển động chạy dao, chúng chuyển động cắt gọt Chuyển động chạy dao s phải phù hợp với chuyển động quay n phôi để tạo đường xoắn ren (phơi quay vòng dao phải tịnh tiến lượng bước xoắn đường ren), chuyển động tạo hình (chuyển động tạo hình đường ren- đường chuẩn) Như vậy, chuyển động tạo hình trùng với chuyển động cắt gọt Để tăng suất cắt cần tăng vận tốc cắt (tăng n), tốc độ chạy dao (s) tăng, nhiều khơng thể thực a) b) Hình 1.4- Tiện ren phay ren Khi phay ren (hình 1.4b) chuyển động cắt chuyển động quay (Q1) dao phay Chuyển động tạo hình đường ren bao gồm chuyển động quay phôi (Q2) tịnh tiến dao phay (T) Khi chuyển động cắt khơng trùng với chuyển động tạo hình nữa, ta tăng vận tốc cắt để nâng cao suất c Chuyển động định vị Là chuyển động xác định vị trí dao tương phơi hệ toạ độ máy Nó xác định kích thước bề mặt gia cơng Nếu chuyển động định vị thực mà khơng có q trình cắt gọi chuyển động điều chỉnh Ví dụ hình 1.6a để gia cơng trụ đườn kính Ø ta thực chuyển động điều dao s Nếu chuyển động định vị thực mà có q trình cắt gọi chuyển động ăn dao (cắt vào) Trên hình 1.6b để đạt kích thước Ø cần thực chuyển động ăn dao s Ø Ø a) b) Hình 1.6- Chuyển động định vị d Chuyển động phân độ Là chuyển động cần thiết để dịch chuyển tương đối phơi dao sang vị trí Khi chuyển động phân độ khơng trùng với chuyển động tạo hình gọi chuyển động phân độ gián đoạn, ví dụ phân độ để phay bánh theo phương pháp chép hình (hình 1.5a) Khi chuyển động phân độ trùng với chuyển động tạo hình gọi chuyển động phân độ liên tục, ví dụ phân độ phay bánh theo phương pháp bao hình (hình 1.5b) Phân độ liên tục cho suất độ xác cao a) b) Hình 1.5- Chuyển động phân độ Chuyển động phôi dụng cụ máy công cụ gia công theo công nghệ truyền thống Cơ cấu chấp hành Máy Chuyển động cắt (V) Cơ cấu chấp hành Tiện Phôi Dụng cụ Khoan Dụng cụ Dụng cụ Phay Dụng cụ Phôi Bào Dụng cụ Phôi Xọc Dụng cụ Phơi Mài phẳng Dụng cụ Phơi Mài tròn Dụng cụ Dụng cụ & Phôi Mài khôn Dụng cụ Phôi Chuyển động chạy dao (S) Chuyển động phôi dụng cụ máy công cụ gia công theo cơng nghệ tiên tiến Máy Phơi Gia cơng hóa học CHM Gia cơng điện hóa ECM Gia cơng ăn mòn điện (cắt dây) EDM Gia cơng tia điện tử (khoan) EBM Gia công Laser (khoan) LBM Gia công Plasma (khoan) PBM Gia công siêu âm USM Gia cơng dòng hạt mài AJM Gia cơng tia nước WJM Dụng cụ - Chuyển động quay: - Chuyển động thẳng: - Chuyển động thẳng gián đoạn: - Không chuyển động: e Các chuyển động khác: Đảm bảo điều kiện cần thiết trình gia công: - Chuyển động gá đặt kẹp phôi - Chuyển động tiến, lùi dụng cụ cắt - Chuyển động vận chuyển phôi, thay đổi dụng cụ, kiểm tra, đảo chiều, thu dọn phoi,… 1.3 Cơ cắt kim loại 1.3.1 Máy công cụ a Sự phát triển máy công cụ Máy công cụ xuất từ lâu phát triển liên tục với phát triển khoa học kỹ thuật Sự đời máy công cụ qua giai đoạn: 1200: Máy tiện bàn chuyển động đạp chân 1770: Máy tiện ren 1817: Máy bào 1818: Máy phay 1820: Máy khoan, máy doa 1830: Máy cắt thân khai 1831: Máy mài phẳng 1895: Máy tự động nhiều trục 1943: Máy gia cơng ăn mòn điện 1945: Máy gia công siêu âm 1950: Máy gia công điện hóa 1952: Máy điều khiển số NC (Numerical Control) 1958: Gia công Laser 1972: Máy CNC (Computer Numerical Control) 1978: Hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) 1986: Hệ thống CIM (Computer Integrated Manufacturing) b Phân loại máy cơng cụ Máy cơng cụ phân loại theo tiêu: Công nghệ gia công, theo mức độ chun mơn hố, mức độ tự động hóa, theo độ xác theo trọng lượng - Theo cơng nghệ gia cơng: Có máy gia công theo công nghệ truyền thống máy gia công theo công nghệ tiên tiến Máy gia công theo công nghệ truyền thống: Máy tiện, máy khoan, phay, bào, xọc, chuốt, máy gia công răng, ren, Máy gia công theo cơng nghệ tiên tiến: Máy gia cơng hóa học, gia cơng điện hóa, gia cơng siêu âm, gia cơng dòng hạt mài, gia cơng tia, gia cơng ăn mòn điện, - Theo mức độ chun mơn hố: Có máy vạn năng, máy chun mơn hóa máy chun dùng Máy cơng cụ vạn (còn gọi máy cơng cụ thơng dụng): Là máy có phạm vi cơng nghệ rộng, có khả thực nhiều nguyên công khác Sản phẩm gia công máy vạn đa dạng Các máy vạn trang bị thêm thiết bị để mở rộng khả công nghệ gọi máy vạn rộng Máy vạn dùng sản xuất đơn loạt nhỏ Máy chuyên dùng máy dùng để gia cơng chi tiết kiểu có kích thước khác máy gia công răng, ren, dụng cụ cắt… Máy chun mơn hóa máy chun dùng có tính chun mơn hóa cao, dùng để gia cơng loại sản phẩm có hình dáng kích thước định Máy chun dùng máy chun mơn hóa dùng sản xuất loạt lớn hàng khối - Theo mức độ tự động hóa: Có máy thơng thường, tự động bán tự động Có máy tự động điều khiển cam, máy tự động điều khiển số (NC CNC) - Theo độ xác: Theo TCVN 1742-75, máy công cụ chia làm cấp: E, D, C, B, A Tương ứng với tiêu chuẩn Liên xô là: H, , B, A , C Cấp E(H): Là máy cấp xác thơng thường, gồm phần lớn máy vạn Cấp D(): Máy cấp xác nâng cao Là máy chế tạo sở máy cấp xác E chi tiết quan trọng chế tạo xác, chất lượng lắp ráp điều chỉnh cao Cấp C(B): Máy cấp xác cao Đặc điểm máy tồn chi tiết chế tạo xác, chất lượng lắp ráp điều chỉnh tồn máy cao, có số kết cấu đặc biệt đảm bảo nâng cao độ xác Cấp B(A): Cấp xác đặc biệt cao Là máy giống máy cấp C có độ cứng vững cao Cấp A(C): Cấp xác siêu cao Là máy dùng để chế tạo dụng cụ để xác định độ xác máy cấp B C Để đảm bảo độ xác yêu cầu máy cấp A,B,C điều hòa nhiệt độ độ ẩm tự động - Theo trọng lượng: Có máy loại nhẹ, loại trung loại nặng Máy loại nhẹ có trọng lượng < 10 tấn, máy loại trung có trọng lượng từ 10 đến 100 máy loại nặng có trọng lượng > 100 c Ký hiệu máy cơng cụ Nhìn chung người ta ký hiệu máy công cụ sở dựa vào chức công nghệ, công dụng, mức độ đại hệ thống điều khiển đặc tính kỹ thuật máy Ở quốc gia, hãng chế tạo máy có tiêu chuẩn kiểu ký hiệu máy khác - Ký hiệu máy Liên xô Hệ thống ký hiệu máy Liên xô dựa sở phân máy cơng cụ nhóm nhóm lại phân kiểu máy Hệ thống phân thành nhóm, nhóm phân thành kiểu Hệ thống dùng chữ số chữ để ký hiệu máy: Chữ số thứ nhất: Chỉ nhóm máy Chữ số thứ hai: Chỉ kiểu máy Chữ số thứ thứ 4: Chỉ kích thước máy Chữ nằm sau chữ số thứ (hoặc thứ hai) nói lên máy đại hóa từ máy sở Chữ nằm sau nói lên biến thể máy với trang thiết bị kèm theo Ví dụ: 1616: máy tiện(1), ren vít vạn (6) có chiều cao tâm máy H=160mm (16) (Đường kính gia cơng lớn Dmax=2H=320mm) 2A135: máy khoan (2) đứng (1) có đường kính khoan lớn 25 mm (25) Máy cải tiến (A) từ máy sở -Ký hiệu máy Việt nam Hệ thống ký hiệu máy Việt nam dùng hệ thống ký hiệu Liên xơ, nhóm máy dùng chữ để ký hiệu thay cho ký hiệu dùng số Liên xô Máy tiện ký hiệu T; Máy khoan ký hiệu K; Máy bào ký hiệu B;… Ví dụ: T616: máy tiện (T) ren vít vạn (6) có chiều cao tâm máy H=160 mm (16) K125: máy khoan (K) đứng (1) có đường kính khoan lớn 25 mm (25) Ký hiệu máy công cụ Liên Xô 10 Các loại máy khác Máy cắt đứt Máy bào xọc chuốt Máy gia công ren Máy phay Nhóm máy Máy tổ hợp Máy mài Máy khoan máy doa Máy tiện Máy công cụ xọc vạn Máy cưa Máy cắt ren ống máy nắn thẳng tiện phôi máy cưa vòng ma sát Máy cắt đứt hạt mài Máy tiện cắt đứt máy phay lăn máy tự động Máy mài thô Máy khoan BTĐ nhiều trục Máy tiện Revolve máy bào ngang Máy phay liên tục Máy gia công bánh côn Máy bán tự động Máy khoan bán tự động trục Máy tiện TĐ BTĐ nhiều trục Máy bào giường trụ Máy bào giường trụ Máy phay đứng cơng xơn Máy Máy Máy mài tròn ngồi Máy khoan đứng Máy tiện TĐ BTĐ trục Máy nắn thẳng máy cắt đứt Máy xọc Máy phay chép hình Máy gia cơng trục vít bánh vít Máy mài chuyên dùng Máy doa tọa độ Máy tiện cắt đứt tiện cưa Máy kiểm tra dụng cụ cắt Máy đai Máy phay đứng không công xôn Máy chuốt ngang Máy gia công đầu Máy khoan cần Máy đứng Loại máy Máy phân độ máy cưa đĩa máy phay giường máy gia công ren Máy mài dụng cụ cắt máy doa ngang Máy tiện vạn Máy cân Máy cưa lưỡi Máy gia công tinh Máy phay đầu trượt Máy chuốt đứng Máy mài phẳng Máy doa xác Máy tiện nhiều dao Máy phay ngang cong xon Máy mài ren Máy mài tinh Máy khoan ngang Máy tiện chuyên dùng Các loại máy khác Các loại máy khác Các loại máy khác Các loại máy khác Các loại máy khác Các loại máy khác Các loại máy khác Các loại máy khác Các loại máy khác Bảng 1.1 Tiến dao theo phương hướng kính thích hợp mài chi tiết có chiều dài nhỏ, chọn đá có bề rộng lớn chiều dài chi tiết Trong phương pháp này, đá mài vừa quay vừa thực chuyển động chạy dao hương kính, lượng chạy dao thường chọn từ 2.5 đến 20 μm sau vòng quay phơi Phương pháp tiến dao dọc trục thích hợp mài chi tiết có chiều dài lớn Lượng tiến dao dọc thường chọn ¼- ½ bề rộng đá sau vòng quay phơi Chiều sâu cắt thường chọn từ 50- 100 μm với mài thô từ 6-12 μm với mài tinh Lượng dư mài từ 125 đến 250 μm với chi tiết ngắn từ 400-800 μm với chi tiết dài + Máy mài tròn trong: Máy mài tròn sử dụng đá mài nhỏ để mài bề mặt trụ Q trình mài tròn gặp số khó khăn như: - Đá mài lắp trục máy phải nhỏ đường kính lỗ, để đạt vận tốc cắt tốc độ quay đá lớn, lên tới 150000 v/ph - Phương pháp bơi trơn làm nguội gặp nhiều khó khăn, sử dụng kết cấu trục phức tạp Máy tròn chia làm hai loại: - Chucking type: Máy dùng để mài lỗ chi tiết dạng trụ, có chuyển động cắt chuyển động quay đá mài Các chuyển động chạy dao bao gồm: chuyển động chạy dao vòng phơi vw, chuyển động chạy dao 105 - dọc f1 (Gia công hết chiều dài lỗ), chuyển động chạy dao hướng kính f2( mài hết lượng dư) Planetary-type: Máy thiết kế để gia công lỗ chi tiết dạng hộp Trong trường hợp này, Phôi gá bàn máy, đá mài vừa thực chuyển động cắt vg( chuyển động quay đá), vừa thực chuyển động quay hành tinh vw theo chu vi lỗ (chạy dao vòng), hai chuyển động chạy dao dọc chạy dao hướng kính tương tự máy loại chucking-type + Máy mài khơng tâm máy mài tròn mà khơng yêu cầu định vị đường tâm phôi máy So với máy mài tròn máy mài vơ tâm có số ưu điểm sau: - Năng suất cao - Độ xác cao Lượng dư mài nhỏ Có thể tự động hóa Khơng u cầu tay nghề cao công nhân Nguyên lý mài vô tâm Đá mài (1) hình trụ, có tốc độ v1=30÷60 m/s.Bánh dẫn có dạng hình n ngựa (hyperboloide) quay với tốc độ v2= 10÷ 50m/phút Chi tiết số quay tròn với vận tốc v Thanh đỡ 4, máng dẫn giữ cho chi tiết trượt dọc Bánh dẫn khơng có tác dụng mài chi tiết.Nó có nhiệm vụ làm cho phơi quay tròn nhờ lực ma sát hai mặt đá Lực ma sát cần phải lớn lực cắt (hệ số ma sát đá dẫn thép khoảng 0.6) Thanh đỡ thay đổi điều chỉnh tùy theo vật liệu chi tiết gia công, đỡ làm vật liệu khác Nếu phôi thép kim loại , đỡ cần thép chống mòn thép hợp kim cứng Để giảm rung động bề mặt tỳ đỡ đặt nghiêng phía đá dẫn góc từ 30÷40 để tránh kẹt, chi tiết gia cơng cần đặt cao đường nối liền hai tâm đá khoảng h=(0.15÷0.25)d khơng q 10÷12 mm (d: đường kính chi tiết gia cơng) Góc α có ảnh hưởng đến độ lớn lượng chạy dao.Khi mài thô lấy trị số α=1.5÷6, mài tinh α=0.5÷1.5 106 3.7 Máy dao chuốt 3.7.1 Công nghệ chuốt 3.7.2 Dao chuốt 3.7.3 Máy chuốt 3.8 Máy mài 3.8.1 Các trình mài 3.8.2 Đá mài 3.8.3 Các kiểu máy mài 3.8.4 Máy mài khôn (Honing Machine) 3.8.5 Máy mài nghiền (Lapping Machine) 3.9 Tổng kết chương Chương IV MÁY GIA CÔNG THEO CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN 4.1 Giới thiệu 4.2 Phân loại q trình gia cơng tiên tiến 4.3 Các máy gia công tia (Jet Machines) 4.3.1 Máy gia công tia mài (Abrasive Jet Machining) 4.3.2 Máy gia công tia nước (Hydrodynamic Machining) 4.3.3 Máy gia công tia nước hạt mài (Abrasive Water Jet Machining) 4.4 Các thiết bị gia công siêu âm (USM Equipment) 4.4.1 Khái niệm, đặc trưng ứng dụng 4.4.2 Thiết bị siêu âm (USM Equipment) 4.4.3 Mài khôn siêu âm 4.4.4 Hiệu gia công siêu âm 4.5 Các thiết bị gia cơng lý hóa, điện hóa 4.5.1 Gia cơng ăn mòn hóa (Chemical Milling and Photochemical Machining) 4.5.2 Gia cơng điện hóa (Electrochemical Grinding Machining) 4.6 Các máy gia công tia lửa điện (Electrical Dischage Machines) 4.6.1 Các đặc trưng EDM ứng dụng 4.6.2 Máy xung tia lửa điện (ED Sinking Machine) 4.6.3 Máy EDM kiểu phay (Electrical Dischage Milling) 4.6.4 Máy EDM dùng điện cực dây cắt (Electrodischage Wire Cutting) 4.7 Thiết bị gia công tia điện tử 4.7.1 Các đặc trưng EBM ứng dụng 4.7.2 Thiết bị EBM (Electron Beam Machining Equipment) 4.8 Thiết bị gia công tia Laser 107 4.8.1 Các đặc trưng LBM 4.8.2 Các kiểu Lasers 4.8.3 Thiết bị LBM (Laser Beam Machining Equipment) 4.9 Hệ thống cắt Plasma (Plasma ARC Cutting System) 4.9.1 Các đặc trưng Plasma 4.9.2 Hệ thống PAC (Plasma Arc Cutting System) 4.10 Tổng kết chương 108 ... liệu cứng cần độ cứng cao hơn- khoảng HRC65 + Độ bền học: Trong trình cắt thường xuất rung đập, va đập, tải trọng thay đổi, … gây nên dạng hỏng cho dụng cụ cắt sứt mẻ, gẫy vỡ, bong tróc, … Để... HSS): Là thép hợp kim cao với hàm lượng Vơnfram 6÷19%, Crơm 3÷4.6%, ngồi số ngun tố khác Mơlipđen, Vanađi, Coban … So với thép cácbon dụng cụ thép hợp kim dụng cụ thép gió có số ưu điểm sau: Độ cứng... suất uốn u=(350400)Mpa Chịu nhiệt 100012000C Chịu mòn tốt Nhược điểm vật liệu sứ giòn, chịu va đập nên chưa dùng rộng rãi +Kim cương nhân tạo Được tổng hợp từ C (graphit) áp lực cao (100.000atm)