Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)

Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC (LA tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ CÔNG

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CẮT CỦA MẢNH DAO THAY THẾ NHIỀU CẠNH HỢP KIM CỨNG CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM KHI GIA

CÔNG THÉP KHÔNG GỈ SUS304 TRÊN MÁY TIỆN CNC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ CÔNG

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CẮT CỦA MẢNH DAO THAY THẾ NHIỀU CẠNH HỢP KIM CỨNG CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM KHI GIA

CÔNG THÉP KHÔNG GỈ SUS304 TRÊN MÁY TIỆN CNC

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS Bùi Ngọc Tuyên

Hà Nội - 2017PGS TS Trần Thế Lục

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2017

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Bùi Ngọc Tuyên

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Chí Công

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian tìm tòi, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của các thầy PGS TS Bùi Ngọc Tuyên và cố PGS.TS Trần Thế Lục tôi đã hoàn thành luận án của mình Ngoài sự hướng dẫn, định hướng về mặt khoa học các thầy còn quan tâm, động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu Đây là động lực tinh thần rất lớn để tôi tự tin và say

mê trong nghiên cứu khoa học Qua đây tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo hướng dẫn

Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trong Bộ môn Gia công vật liệu

và Dụng cụ công nghiệp - Viện Cơ khí đã đóng góp nhiều ý kiến xác đáng cho tác giả; Viện Công nghệ, Công ty TNHH MTV Hóa chất 21, Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất

13, Viện Công nghệ - Tổng cục CNQP - Bộ Quốc phòng đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở thiết bị thí nghiệm để tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu

Cuối cùng, tác giả gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp ở Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và gia đình đã luôn ở bên động viên giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Chí Công

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Chương 1: ĐẶC ĐIỂM GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ TRÊN MÁY TIỆN CNC BẰNG MẢNH DAO HỢP KIM CỨNG 6

1.1 Đặc điểm tiện CNC 6

1.1.1 Prôphin chi tiết trong gia công tiện 6

1.1.2 Đường dụng cụ trong tiện prôphin 6

1.1.3 Sự thay đổi các góc động khi tiện prôphin 7

1.1.4 Ảnh hưởng của đường dụng cụ trong tiện prôphin đến chất lượng gia công 8

1.2 Đặc điểm dao tiện gắn mảnh HKC 10

1.2.1 Cấu tạo cơ bản 10

1.2.2 Vật liệu chế tạo phần cắt dụng cụ 11

1.2.3 Vật liệu dụng cụ cắt để gia công thép không gỉ SUS304 12

1.2.4 Lớp phủ bề mặt mảnh dao 14

1.2.5 Ký hiệu và phương pháp lựa chọn mảnh dao 15

1.2.5.1 Ký hiệu mảnh dao 15

1.2.5.2 Phương pháp lựa chọn phù hợp mảnh dao, thân dao 16

1.3 Độ chính xác hình học chi tiết gia công tiện 17

1.3.1 Độ nhám bề mặt khi tiện prôphin 18

1.3.2 Độ chính xác kích thước 19

1.4 Cơ sở lý thuyết về động lực học và mòn dụng cụ khi tiện CNC 20

1.4.1 Lực cắt 20

1.4.1.1 Động lực học quá trình tiện 20

1.4.1.2 Mô hình lực cắt khi cắt nghiêng 22

1.4.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt 23

1.4.2 Mòn dụng cụ 25

1.4.2.1 Các dạng mòn 25

1.4.2.2 Các dạng mòn đặc trưng của mảnh dao HKC (TT10K8) khi tiện prôphin cong lồi thép không gỉ SUS304 28

1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ 30

1.5 Đặc điểm gia công thép không gỉ SUS304 30

1.5.1 Đặc điểm thép không gỉ SUS304 30

1.5.2 Tính gia công của thép không gỉ SUS304 32

1.6 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 33

Kết luận chương 1 39

Chương 2: TƯƠNG QUAN GIỮA PRÔPHIN GIA CÔNG VÀ THIẾT KẾ MẢNH DAO HỢP KIM CỨNG TT10K8 DÙNG CHO TIỆN PRÔPHIN THÉP KHÔNG GỈ SUS304 41

2.1 Nghiên cứu tương quan giữa prôphin gia công với thông số hình học dụng cụ và chất lượng gia công khi tiện CNC 41

2.1.1 Sự biến thiên góc nghiêng chính, góc nghiêng phụ khi tiện prôphin và điều kiện không cắt lẹm 41

2.1.2 Sự biến thiên góc sau động khi tiện prôphin 43

2.1.3 Sự biến thiên góc trước động khi tiện prôphin 46

2.2 Sự phụ thuộc của độ nhám và bước tiến dao vào bề mặt gia công khi tiện bằng mũi dao nhỏ 46

2.2.1 Sự phụ thuộc của độ nhám vào bề mặt gia công khi tiện bằng mũi dao nhỏ 46

2.2.2 Sự phụ thuộc của bước tiến dao vào bề mặt gia công 47

2.3 Nghiên cứu thực nghiệm thiết kế mảnh dao HKC để gia công thép không gỉ 48

2.3.1 Phương pháp thực nghiệm Taguchi 48

2.3.2 Nghiên cứu thiết kế hợp lý phôi mảnh dao HKC 52

2.3.2.1 Chi tiết gia công và yêu cầu kỹ thuật 52

2.3.2.2 Lựa chọn phôi mảnh dao HKC 54

2.3.3 Nghiên cứu thiết kế hợp lý các thông số hình học của mảnh dao HKC 57

2.3.3.1 Thiết kế các thông số hình học của mảnh dao HKC 57

2.3.3.2 Thực nghiệm lựa chọn tối ưu các thông số hình học mảnh dao HKC 58

2.4 Thực nghiệm chế tạo mảnh dao HKC TT10K8 64

2.4.1 Thực nghiệm chế tạo phôi mảnh dao 64

2.4.2 Kết quả kiểm tra chất lượng HKC TT10K8 chế tạo tại Việt Nam 68

2.4.3 Thực nghiệm chế tạo mảnh dao hoàn chỉnh 69

2.4.4 Kết quả kiểm tra các thông số hình học mảnh dao HKC 71

Kết luận chương 2 73

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẶC TÍNH CẮT CỦA MẢNH DAO

HỢP KIM CỨNG TT10K8 CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM 74

3.1 Các phương pháp xác định mối quan hệ thực nghiệm 74

3.1.1 Mô hình hồi quy bậc nhất 74

3.1.2 Phương pháp bề mặt chỉ tiêu 75

3.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm 77

3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm 77

3.2.2 Các điều kiện đầu vào 78

3.2.3 Các đại lượng đầu ra 79

3.2.4 Các đại lượng cố định 79

3.2.5 Các đại lượng không điều khiển được (nhiễu) 79

3.3 Điều kiện thực nghiệm 80

3.3.1 Máy tiện CNC 80

3.3.2 Mẫu thí nghiệm 81

3.3.3 Dụng cụ cắt 81

3.3.4 Các thiết bị đo 82

3.4 Thực nghiệm xác định một số đặc tính cắt của mảnh dao HKC TT10K8 84

3.4.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt 84

3.4.1.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt khi tiện trụ thẳng 84

3.4.1.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt khi tiện prôphin 86

3.4.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến độ nhám chi tiết có biên dạng côn 88

3.5 Mô hình thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công, mòn dao và các thành phần lực cắt khi tiện thép SUS304 trên máy tiện CNC 93

3.5.1 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và nhám bề mặt 95

3.5.2 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ chế độ cắt và độ sai lệch kích thước 98

3.5.3 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và mòn theo mặt sau dụng cụ 100

3.5.4 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và các thành phần lực cắt 101

3.5.4.1 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và các thành phần lực cắt x P 101

3.5.4.2 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và các thành phần lực cắt y P 103

3.5.4.3 Xây dựng mô hình hồi quy mô tả quan hệ giữa chế độ cắt và các thành phần lực cắt

z

P 104

Kết luận chương 3 106

Chương 4: TỐI ƯU HOÁ CHẾ ĐỘ CẮT KHI TIỆN CNC THÉP KHÔNG GỈ SUS304 BẰNG MẢNH DAO THAY THẾ NHIỀU CẠNH HKC TT10K8 CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM 107

4.1 Chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu 107

4.1.1 Đặt vấn đề 107

4.1.2 Hàm mục tiêu 107

4.1.3 Các hàm ràng buộc 108

4.2 Phương pháp giải bài toán tối ưu 113

Kết luận chương 4 120

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 121

Kết luận 121

Hướng nghiên cứu tiếp theo 122

Tài liệu tham khảo 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 133

PHỤ LỤC 1 134

PHỤ LỤC 2 139

PHỤ LỤC 3 142

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ie Hệ số tính gia công của vật liệu

S/N Độ sạch của tín hiệu

ANOVA Phân tích phương sai

TiC Các bít Titan

TT10K8 Một mác hợp kim cứng nhóm 3 các bít theo tiêu chuẩn của Nga

SUS304 Thép không gỉ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ký hiệu và ứng dụng của vật liệu hợp kim cứng 13

Bảng 1.2 Thành phần hoá học, cơ tính của hợp kim cứng TT10K8 14

Bảng 1.3 Dung sai theo hình dạng mảnh dao 15

Bảng 1.4 Kích thước mảnh dao 16

Bảng 1.5 Ký hiệu và kích thước chiều dày tiêu chuẩn của mảnh dao 16

Bảng 1.6 Ký hiệu và kích thước bán kính mũi dao 16

Bảng 1.7 Thành phần hóa học SUS304 (tiêu chuẩn Nhật JIS G4303-91) 31

Bảng 1.8 Cơ tính của thép SUS304 (theo tiêu chuẩn Nhật JIS G4303-91) 31

Bảng 1.9 Hệ số tính gia công i c của các nguyên tố hợp kim 32

Bảng 1.10 Ảnh hưởng của góc trước đến lực cắt 37

Bảng 2.1 Bảng quy hoạch thực nghiệm Taguchi 50

Bảng 2.2 Đặc tính cắt của các mảnh dao thay thế nhiều cạnh 55

Bảng 2.3 Mức thực nghiệm của thông số hình học 59

Bảng 2.4 Kết quả đo độ nhám, kích thước và tỷ số S/N 60

Bảng 2.5 Giá trị R a trung bình ở các mức của γ, α, r, λ 61

Bảng 2.6 Giá trị ΔD trung bình ở các mức của γ, α, r, λ 61

Bảng 2.7 Giá trị S/N trung bình ở các mức của γ, α, r, λ ảnh hưởng đến R a 61

Bảng 2.8 Giá trị S/N trung bình ở các mức của γ, α, r, λ ảnh hưởng đến ΔD 61

Bảng 2.9 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến độ nhám R a và sai lệch kích thước ΔD 62

Bảng 2.10 Thông số hình học tối ưu của mảnh dao 63

Bảng 2.11 Mẫu kiểm tra độ bền uốn 68

Bảng 2.12 Kết quả kiểm tra cơ tính HKC TT10K8 68

Bảng 2.13 Thông số hình học mảnh dao HKC TT10K8 71

Bảng 2.14 Thông số hình học mảnh dao khi lắp lên thân dao 71

Bảng 2.15 Kết quả kiểm tra thông số hình học mảnh dao HKC 71

Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật của máy tiện CNC PLG-42 80

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của thiết bị đo độ nhám POCKETSURF (Mỹ) 82

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của thiết bị đo lực 3 chiều MTA-400 Futek (Mỹ) 83

Bảng 3.4 Bảng thiết kế thí nghiệm và kết quả đo độ nhám 89 Bảng 3.5 Kết quả tính toán mô hình hồi quy bậc 2 của hàm R 89 1

Bảng 3.6 Kết quả phân tích phương sai của hàm R 90 1

Bảng 3.7 Kết quả phân tích phương sai của hàm R 90 2

Bảng 3.8 Kết quả tìm cực tiểu trung bình của R 92 1

Bảng 3.9 Kết quả tìm cực tiểu trung bình của R 92 2

Bảng 3.10 Bảng quy hoạch thực nghiệm 94

Bảng 3.11 Bảng liệt kê mức thí nghiệm của các thông số chế độ cắt 96

Bảng 3.12 Kết quả thực nghiệm đo nhám R 96 a Bảng 3.13 Bảng ước lượng ảnh hưởng và hệ số của hàm ln R 96 a Bảng 3.14 Bảng phân tích phương sai của hàm ln R 97 a Bảng 3.15 Bảng phân tích phương sai của hàm ln D 99

Bảng 3.16 Bảng phân tích phương sai của hàm ln hs 100

Bảng 4.1 Dữ liệu tính toán hàm mục tiêu 117

Bảng 4.2 Giao diện công cụ Solve – Microsoft Excel 117

Bảng 4.3 Dữ liệu tính toán hàm mục tiêu 118

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Một số dạng đường prôphin chi tiết 6

Hình 1.2 Các đường chạy dao khi tiện thô, bán tinh, tinh 6

Hình 1.3 Các đường dụng cụ và dụng cụ cắt tương ứng khi tiện lỗ 7

Hình 1.4 Các đường dụng cụ và dụng cụ cắt tương ứng khi tiện ngoài 7

Hình 1.5 Sự thay đổi các góc động của dụng cụ khi tiện prôphin 8

Hình 1.6 Các dạng cơ bản của đường dụng cụ khi tiện 9

Hình 1.7 Cấu tạo dao tiện CNC 10

Hình 1.8 Các hình dạng cơ bản của mảnh dao 11

Hình 1.9 Biểu đồ so sánh hiệu suất và khả năng chịu rung động 13

Hình 1.10 Biểu đồ so sánh độ cứng tế vi của các lớp phủ 14

Hình 1.11 Ký hiệu mảnh dao 15

Hình 1.12 Ký hiệu hình dạng mảnh dao 15

Hình 1.13 Ký hiệu dạng góc sau mảnh dao 15

Hình 1.14 Ký hiệu hình dạng lắp ghép của mảnh dao 15

Hình 1.15 Quy tắc chọn thân dao theo dạng mảnh dao 17

Hình 1.16 Sơ đồ biểu diễn độ nhám bề mặt R 18 a Hình 1.17 Độ nhám bề mặt R khi tiện 18 a Hình 1.18 Biểu đồ so sánh độ nhám R a khi dùng mảnh dao có bán kính mũi dao và kiểu wiper 19

Hình 1.19 Độ nhám và sóng bề mặt 20

Hình 1.20 Bề mặt 3D điển hình sau tiện 20

Hình 1.21 Mô hình lực cắt khi tiện 21

Hình 1.22 Các thành phần lực cắt khi tiện quy chiếu theo hệ tọa độ Đề các 21

Hình 1.23 Các hệ thống lực cắt trong mô hình cắt nghiêng 22

Hình 1.24 Các lực cắt N và P trong mô hình cắt nghiêng 23

Hình 1.25 Quan hệ giữa lượng mòn và thời gian 26

Hình 1.26 Xác định chiều cao mòn mặt sau hs 26

Hình 1.27 Xác định chiều cao mòn mặt trước KT 27

Hình 1.28 Vết nứt dụng cụ do nhiệt 27

Hình 1.29 Sơ đồ ảnh hưởng vận tốc cắt đến mòn dụng cụ cắt 28

Hình 1.30 Một số dạng mòn của mảnh dao HKC TT10K8 chế tạo tại Việt Nam 30

Hình 1.31 Giản đồ Schaeffler về phân loại thép không gỉ theo cấu trúc 31

Hình 1.32 Sơ đồ thí nghiệm 34

Hình 1.33 Đường dụng cụ 34

Hình 1.34 Vị trí dụng cụ cắt 35

Hình 1.35 Mẫu sau thí nghiệm 35

Hình 1.36 Biến dạng dụng cụ cắt 36

Hình 1.37 Ảnh hưởng của góc trước, góc sau đến lực cắt 36

Hình 1.38 Ảnh hưởng của góc trước, góc sau đến nhiệt cắt 36

Hình 1.39 Bề mặt gia công liên tục và gián đoạn 37

Hình 1.40 Tuổi bền dụng cụ khi gia công liên tục và gián đoạn 37

Hình 2.1 Ảnh hưởng của biên dạng prôphin đến các góc nghiêng 41

Hình 2.2 Gia công chi tiết trụ tròn xoay có prôphin cong lồi 42

Hình 2.3 Thông số hình học dụng cụ trong quá trình tiện 43

Hình 2.4 Sự thay đổi góc trước, góc sau khi có chuyển động chạy dao ngang 44

Hình 2.5 Sự thay đổi góc trước, góc sau khi có chuyển động chạy dao dọc 44

Hình 2.6 Nhám bề mặt khi gia công bề mặt trụ tròn xoay có prôphin cong lồi 46

Hình 2.7 Gia công bề mặt côn 48

Hình 2.8 Một số chi tiết cơ khí điển hình trong quốc phòng 53

Hình 2.9 Chi tiết gia công 53

Hình 2.10 So sánh đặc tính cắt của các mảnh dao 54

Hình 2.11 Đường dụng cụ của mảnh dao có góc ε = 35 o , ε = 55 o 56

Hình 2.12 Kích thước bao hoàn chỉnh của mảnh dao hợp kim cứng (Hãng Sandvik) 57

Hình 2.13 Kích thước phôi để chế tạo mảnh dao hợp kim cứng tại Việt Nam 57

Hình 2.14 Bán kính mũi dao 58

Hình 2.15 Mẫu thép SUS304 sau khi gia công 59

Hình 2.16 Giá trị S/N trung bình của R a tại các mức của γ, α, r, λ 62

Hình 2.17 Giá trị S/N trung bình của ΔD tại các mức của γ, α, r, λ 62

Hình 2.18 Đồ thị bề mặt ảnh hưởng của các thông số γ, α, r, λ đến R a 63

Hình 2.19 Đồ thị bề mặt ảnh hưởng của các thông số γ, α, r, λ đến ΔD 63

Hình 2.20 Sơ đồ công nghệ chế tạo phôi mảnh dao HKC 64

Hình 2.21 Khuôn ép định hình phôi mảnh dao HKC 66

Hình 2.22 Giản đồ thiêu kết phôi mảnh dao HKC 67

Hình 2.23 Phôi hợp kim cứng sau khi chế tạo 67

Hình 2.24 Tổ chức tế vi của hợp kim cứng TT10K8 (1000x) 68

Hình 2.25 Sơ đồ công nghệ chế tạo hoàn chỉnh mảnh dao 69

Hình 2.26 Mài phẳng đạt chiều dày mảnh hợp kim 69

Hình 2.27 Cắt dây lỗ lắp chốt 3,8 và 1/2 biên dạng ngoài 70

Hình 2.28 Cắt dây lỗ lắp chốt 3,8 và 1/2 biên dạng ngoài 70

Hình 2.29 Mài đạt các kích thước và độ bóng mảnh hợp kim cứng 70

Hình 2.30 Mảnh dao sau khi chế tạo hoàn chỉnh 71

Hình 3.1 Mô hình quy hoạch thực nghiệm nhiều đầu vào, nhiều đầu ra 75

Hình 3.2 Thiết kế thí nghiệm CCD (a) và Box-Behnken (b) 76

Hình 3.3 Sơ đồ nghiên cứu quá trình tiện CNC bằng thực nghiệm 78

Hình 3.4 Máy tiện CNC PLG-42 của Đài Loan 80

Hình 3.5 Các bước công nghệ gia công chi tiết 81

Hình 3.6 Thiết bị đo nhám bề mặt POCKETSURF (Mỹ) 82

Hình 3.7 Máy đo phóng hình PH3500 (Nhật Bản) 83

Hình 3.8 Thiết bị đo lực 3 chiều MTA-400 Futek (Mỹ) 83

Hình 3.9 Ảnh hưởng của bước tiến dao đến lực cắt 84

Hình 3.10 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến lực cắt 85

Hình 3.11 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến lực cắt 85

Hình 3.12 Sơ đồ ảnh hưởng của prôphin chi tiết đến lực cắt 87

Hình 3.13 Mẫu thí nghiệm có biên dạng trụ côn 88

Hình 3.14 Các biểu đồ đánh giá số dư R 91 1 Hình 3.15 Các biểu đồ đánh giá số dư R 91 2 Hình 3.16 Đồ thị bề mặt của R 91 1 Hình 3.17 Đồ thị bề mặt của R 91 2 Hình 3.18 Đồ thị quan hệ các thông số công nghệ đến độ nhám R 98 a Hình 3.19 Đồ thị quan hệ các thông số công nghệ đến sai lệch kích thước D 100

Hình 3.20 Đồ thị quan hệ các thông số công nghệ đến độ mòn mặt sau hs 101

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Hợp kim cứng (HKC) là một trong những loại vật liệu quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, với nhiều lĩnh vực khác nhau, như: Chế tạo dụng cụ cắt gọt, dụng cụ gia công áp lực, dụng cụ khai thác mỏ; chế tạo khuôn mẫu, chi tiết máy Trong quân sự, HKC được sử dụng phổ biến để chế tạo các loại đạn xuyên thép, một số chi tiết có tính năng đặc biệt chịu mài mòn, chịu nhiệt Nguyên nhân chính của việc sử dụng phổ biến các loại dụng cụ, chi tiết máy bằng HKC là do vật liệu này có độ cứng, độ bền vượt trội so với thép dụng cụ thông thường và giữ được độ cứng, độ bền đó trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao Mặt khác, do khả năng chịu mài mòn nên tuổi bền chi tiết, dụng cụ bằng HKC tăng lên đáng kể so với thép dụng cụ thông thường Ngoài ra, HKC có hệ số dãn dài rất nhỏ nên đáp ứng tốt yêu cầu của công nghệ gia công chính xác [1]

Hiện nay, trên thế giới mảnh dao bằng HKC được nghiên cứu, ứng dụng khá phổ biến nhằm nâng cao chất lượng bề mặt gia công, tuổi bền dụng cụ cắt cũng như năng suất cắt gọt Trên thế giới có nhiều hãng sản xuất dụng cụ cắt nổi tiếng như: Sandvik, Seco (Thụy Điển), Mitsubishi, Kyocera (Nhật Bản)… Các mảnh dao bằng HKC khi đưa ra thị trường đều có các thông số hình dạng hình học, kích thước, vật liệu chế tạo tiêu chuẩn hóa và có khuyến cáo phạm vị sử dụng đối với từng loại như: Mảnh dao dùng để gia công vật liệu thép trước tôi, sau tôi, thép hàn, thép bền nhiệt, thép không gỉ và chống ăn mòn, gia công gang, hợp kim màu.v.v

Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng HKC vào thực tế còn hạn chế Các đề tài nghiên cứu về HKC trong nước thời gian qua, chủ yếu tập trung vào nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm các mẫu HKC; công nghệ phun phủ bề mặt nhằm nâng cao chất lượng dụng cụ cắt nền thép hoặc nền HKC; một số nghiên cứu nhằm tối ưu hóa chế độ cắt đối với các mảnh dao nhập ngoại Do nhiều nguyên nhân khác nhau, các kết quả nghiên cứu chưa thể triển khai ứng dụng rộng rãi trong thực tế Đặc biệt chưa có đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC cho máy tiện CNC

Từ những kết quả phân tích trên, nhận thấy đề tài “Nghiên cứu đặc tính cắt của mảnh

dao thay thế nhiều cạnh hợp kim cứng chế tạo tại Việt Nam khi gia công thép không gỉ SUS304 trên máy tiện CNC” là cần thiết nhằm xây dựng được phương pháp lựa chọn tối

ưu vật liệu, hình dạng hình học mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC cho gia công thép không gỉ SUS304, đồng thời thực nghiệm chế tạo mảnh dao và tối ưu hóa chế độ cắt đối với mảnh dao đó

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC tại Việt Nam để tiện bề mặt tròn xoay có prôphin cong lồi bằng thép không gỉ SUS304 trên máy CNC, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuât

- Xây dựng mô hình thực nghiệm đánh giá đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC chế tạo tại Việt Nam

- Tối ưu hóa chế độ cắt khi tiện prôphin thép không gỉ SUS304 trên máy CNC bằng mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC chế tạo tại Việt Nam

b Đối tượng nghiên cứu

- Mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC được thiết kế, chế tạo mới tại Việt Nam

- Tiện bề mặt trụ, bề mặt côn và bề mặt tròn xoay có prôphin cong bằng thép không gỉ SUS304

- Các chỉ tiêu về độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước, mòn dao, lực cắt để đánh giá khả năng cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC chế tạo tại Việt Nam

c Phạm vi nghiên cứu

- Vật liệu chế tạo mảnh dao hợp kim cứng: Ký hiệu: TT10K8 theo tiêu chuẩn ΓOCT 3882-74 (tương đương M20 ISO 513-2012) và công nghệ chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC tại Việt Nam

- Vật liệu gia công: Thép không gỉ SUS304 tiêu chuẩn Nhật JIS G4303-91

- Giới hạn nghiên cứu về tương quan giữa prôphin chi tiết với các thông số động học, các thông số hình học của dao như: góc trước, góc sau, góc nghiêng chính, góc nghiêng phụ Xây dựng các công thức quan hệ giữa thông số hình học của dao ở trạng thái động phụ thuộc vào thông số hình học ở trạng thái tĩnh và prôphin chi tiết Xây dựng công thức quan hệ giữa độ nhám bề mặt phụ thuộc góc nghiêng, bước tiến dao và prôphin chi tiết, rút

ra điều kiện không cắt lẹm

- Các thông số hình dạng, hình học của mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC, giới hạn ở các thông số: Hình dạng mảnh dao, góc mũi dao, bán kính mũi dao, góc trước, góc sau, góc nâng

- Quy luật biến đổi của các thành phần lực cắt giới hạn ở bước gia công tinh và bán tinh bề mặt trụ, bề mặt tròn xoay có prôphin cong lồi, cong lõm

- Ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công, giới hạn nghiên cứu ở gia công tinh bề mặt trụ, bề mặt côn, bề mặt tròn xoay có prôphin cong lồi

- Giới hạn nghiên cứu mòn mặt sau dụng cụ khi gia công tinh bề mặt tròn xoay có prôphin cong lồi

- Nghiên cứu mô hình tối ưu hóa theo chỉ tiêu năng suất gia công với các điều kiện về thiết bị, dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công, giới hạn ở bước gia công tinh bề mặt tròn xoay có prôphin cong lồi Đề xuất phương pháp và tiến hành giải bài toán tối ưu hóa

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học

- Phát triển lý thuyết mối quan hệ giữa prôphin chi tiết gia công với các thông số hình học động của lưỡi cắt khi tiện (Góc trước, góc sau, góc nghiêng chính, nghiêng phụ), giữa prôphin chi tiết gia công với độ nhám và bước tiến dao Từ đó đưa ra lý thuyết về điều kiện không cắt lẹm, bước tiến dao cho phép khi tiện prôphin bất kỳ

- Xây dựng được mô hình thực nghiệm để lựa chọn tối ưu thông số hình học của mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC khi tiện chi tiết có prôphin cong lồi

- Sử dụng mô hình thực nghiệm để đánh giá đặc tính cắt của mảnh dao HKC về một số chỉ tiêu như độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước gia công, mòn dao, lực cắt khi tiện tinh và bán tinh các prôphin khác nhau

- Xây dựng mô hình bài toán tối ưu để xác định chế độ cắt tối ưu khi tiện tinh thép không gỉ SUS304 dạng bề mặt tròn xoay có prôphin cong lồi bằng mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC chế tạo tại Việt Nam, hàm mục tiêu là năng suất lớn nhất và các điều kiện biên về máy, dao, chất lượng gia công

b Ý nghĩa thực tiễn

- Đưa ra phương pháp lựa chọn vật liệu HKC chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh dùng cho gia công thép không gỉ SUS304

- Xây dựng được quy trình thực nghiệm chế tạo hoàn chỉnh mảnh dao hợp kim cứng có nhiều cạnh cắt thay thế tại một số đơn vị trong nước

- Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng tại các cơ sở sản xuất để tham khảo mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước, lực cắt, mài mòn dụng cụ khi gia công chi tiết thép không gỉ có prôphin cong lồi

- Kết quả nghiên cứu có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo và những nghiên cứu tiếp theo

4 Các đóng góp mới của luận án

- Xây dựng được về mặt lý thuyết phương trình quan hệ giữa hình học prôphin chi tiết với các thông số hình học của dao cắt Đây là cơ sở cho việc tính toán xác định thông số hình học mảnh dao phù hợp với nguyên công tiện prôphin trên máy tiện CNC

- Xây dựng được phương pháp xác định, lựa chọn vật liệu HKC chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh để gia công các vật liệu theo yêu cầu Xây dựng được mô hình thực nghiệm lựa chọn tối ưu hình học mảnh dao thay thế nhiều cạnh khi tiện prôphin thép không gỉ trên máy tiện CNC Đề xuất phương pháp thiết kế, chế tạo các mảnh dao thay thế HKC dùng cho máy tiện CNC và thực nghiệm chế tạo mảnh dao trong điều kiện Việt Nam

- Xây dựng được mô hình thực nghiệm đánh giá đặc tính cắt của mảnh dao HKC Từ

mô hình thực nghiệm, xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và các thông số đầu ra như: độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước, lực cắt, mòn dao

- Tìm được bộ thông số chế độ cắt tối ưu từ mô hình tối ưu hoá chế độ cắt với hàm mục tiêu là năng suất gia công lớn nhất

5 Nội dung luận án

Luận án được trình bày trong 123 trang, ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, luận án gồm 4 chương

Chương 1: Đặc điểm gia công thép không gỉ trên máy tiện CNC bằng mảnh dao hợp

kim cứng Chương này đề cập đến đặc điểm về tiện prôphin, các dạng đường prôphin, đường dụng cụ khi tiện prôphin và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng gia công, tổng hợp lý thuyết liên quan khi tiện prôphin, lý thuyết chung về thép không gỉ, lựa chọn vật liệu hợp kim cứng để gia công thép không gỉ SUS304 Cuối chương trình bày tóm tắt các nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố liên quan đến nghiên cứu của đề tài, phân tích các tồn tại chưa được giải quyết Phần kết luận chỉ ra hướng nghiên cứu của luận án

Chương 2: Tương quan giữa prôphin gia công và thiết kế mảnh dao hợp kim cứng

TT10K8 dùng cho tiện prôphin thép không gỉ SUS304 Nghiên cứu tương quan giữa prôphin chi tiết đến các thông số hình học của dao cắt và chất lượng gia công khi tiện CNC, các vấn đề liên quan đến thiết kế hình dạng hình học dụng cụ và thực nghiệm chế tạo mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC TT10K8 tại Việt Nam

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm đặc tính cắt của mảnh dao hợp kim cứng TT10K8

chế tạo tại Việt Nam Tổng quan về một số phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng mô hình và các điều kiện thực nghiệm, Thực nghiệm đặc tính cắt của mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC TT10K8 đã chế tạo khi gia công các bề mặt trụ, bề mặt côn, bề mặt tròn xoay có prôphin cong Xây dựng mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt với nhám bề mặt, độ chính xác kích thước, lực cắt và mòn dụng cụ

Chương 4: Tối ưu hoá chế độ cắt khi tiện CNC thép không gỉ bằng mảnh dao HKC

TT10K8 chế tạo tại Việt Nam Chương này trinh bày nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu với hàm mục tiêu là năng suất gia công lớn nhất, các điều kiện ràng buộc về máy, dụng cụ

và chất lượng bề mặt gia công Đề xuất phương pháp và thực hiện giải bài toán tối ưu

6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp tính toán lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng, sử dụng các công cụ toán học, phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao, phương pháp Taguchi, phương pháp thiết kế bề mặt chỉ tiêu Box-Behnken và các phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm để xác định ảnh hưởng giữa các yếu tố đầu vào và yếu tố đầu ra

Chương 1: ĐẶC ĐIỂM GIA CÔNG THÉP KHÔNG GỈ TRÊN MÁY TIỆN

CNC BẰNG MẢNH DAO HỢP KIM CỨNG

1.1 Đặc điểm tiện CNC

1.1.1 Prôphin chi tiết trong gia công tiện

Gia công prôphin là một trong những đặc trưng quan trọng để phân biệt tiện CNC và tiện vạn năng thông thường Các đường prôphin của chi tiết trong gia công tiện được hiểu

là biên dạng chi tiết trên mặt cắt đi qua đường tâm trục chi tiết, gồm tập hợp của rất nhiều các đoạn cong, đoạn thẳng nối tiếp, trường hợp đặc biệt thì prôphin có thể là đường thẳng, cung tròn Trên mỗi mặt phẳng cắt đi qua tâm chi tiết có 02 đường prôphin chi tiết nằm ở hai bên đường tâm trục Trường hợp lý tưởng hai đường prôphin này hoàn toàn đối xứng tương ứng với phương pháp gia công bằng dụng cụ định hình Một số dạng đường prôphin trình bày trong Hình 1.1

Theo [1][9][11], trong thực tế đối với các dao cắt thông thường khi gia công luôn tồn tại lượng chạy dao ngang, dao dọc, hợp của hai chuyển động này là đường cong bất kỳ, khi phôi quay một vòng tương ứng dao dịch chuyển một đoạn nghiêng nhất định, so le với vị trí ban đầu một đoạn đúng bằng chiều dài bước tiến dao ngang, do đó prôphin chi tiết ở hai phía tâm trục so le một đoạn bằng bước tiến dao Đối với trường hợp dao cắt định hình không có dịch chuyển ngang, nhưng do ảnh hưởng của vật liệu gia công, mòn dụng cụ, độ không chính xác của máy … nên các prôphin trong mặt cắt qua tâm trục chi tiết cũng không hoàn toàn đối xứng

Hình 1.1 Một số dạng đường prôphin chi tiết

1.1.2 Đường dụng cụ trong tiện prôphin

Hình 1.2 Các đường chạy dao khi tiện thô, bán tinh, tinh

Đường chạy dao

ở bước tiện thô

Đường chạy dao

ở bước tiện bán tinh, tiện tinh

Theo [11][101], đường dụng cụ (đường chạy dao) là quỹ đạo mà một điểm trên dụng cụ được dẫn theo nó trong quá trình gia công Nếu nguyên công đang thực hiện là gia công thô thì đường chạy dao sẽ dẫn dụng cụ lấy đi lượng dư gia công Còn nếu là nguyên công gia công tinh thì đường chạy dao sẽ dẫn dụng cụ thực hiện quá trình bao hình tạo thành bề mặt chi tiết Đường dụng cụ trong gia công tinh prôphin chi tiết có được bằng cách dịch chuyển (offset) đường cần gia công một lượng nhỏ xấp xỉ bán kính mũi cắt dụng cụ Một

số dạng đường dụng cụ khi tiện được trình bày trong Hình 1.2, 1.3 và 1.4

Hình 1.3 Các đường dụng cụ và dụng cụ cắt tương ứng khi tiện lỗ

Hình 1.4 Các đường dụng cụ và dụng cụ cắt tương ứng khi tiện ngoài

Trên Hình 1.3 và 1.4 cho thấy đối với các đường prôphin khác nhau để dụng cụ gia công được theo prôphin và không xảy ra hiện tượng cắt lẹm thì dụng cụ đó phải có hình dạng và các thông số hình học thỏa mãn các thông số động học khi gia công Thông thường để nâng cao tính linh hoạt cho dụng cụ cắt người ta ít khi dùng dụng cụ định hình,

mà chế tạo các dụng cụ khác nhau, kết hợp với phương pháp lập trình trên máy CNC, mỗi dụng cụ sẽ đảm nhiệm gia công một hoặc nhiều prôphin khác nhau

1.1.3 Sự thay đổi các góc động khi tiện prôphin

Theo [1] khi tiện bề mặt trụ hay tiện mặt đầu, đường đi của dụng cụ là đường thẳng, do vậy vị trí tương đối giữa dao và phôi trong quá trình cắt thường chỉ thay đổi theo một phương Xét ở một điều kiện cắt lý tưởng thì các thông số hình học dụng cụ ở trạng thái động gần như không có sự thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể

Theo [1][11] khi tiện bề mặt trụ tròn xoay có prôphin là đường cong, đường đi của dụng cụ không phải là đường thẳng Xét với máy tiện CNC 3 trục, đường dụng cụ là đường phối hợp giữa chuyển động ngang và dọc của dụng cụ so với đường tâm chi tiết, prôphin càng phức tạp thì sự phối hợp chuyển động theo phương dọc và ngang của dụng cụ càng trở nên phức tạp Đường đi của dụng cụ là tổng hợp gồm nối tiếp của các đoạn thẳng, cung cong Vị trí tương quan giữa dao và phôi tại các điểm khác nhau là khác nhau, do đó các thông số hình học ở trạng thái động của dụng cụ tại mỗi điểm trên biên dạng là khác nhau Nói cách khác khi dụng cụ chuyển động theo biên dạng lập trình thì các thông số hình học

ở trạng thái động của dụng cụ thường xuyên thay đổi Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng gia công, năng suất và các điều kiện về thiết bị, dụng cụ, đồ gá

Các thông số góc trước và góc sau của dao khi tiện là các góc động khác hoàn toàn với góc tĩnh (ở trạng thái đứng yên) Khi quỹ đạo thay đổi thì đồng thời góc trước, góc sau, các góc nghiêng chính, phụ thay đổi tương ứng

Hình 1.5 Sự thay đổi các góc động của dụng cụ khi tiện prôphin

Trên Hình 1.5 biểu diễn sự thay đổi các góc động (góc trước, góc sau, góc nghiêng chính, nghiêng phụ) khi tiện prôphin Xét tại mặt cắt A-A và B-B tương ứng với đường kính lần lượt là D và D1 trong đó D > D1, μ là lượng biến đổi góc trước, góc sau do ảnh hưởng chuyển động chạy dao Ta thấy rằng khi đường kính gia công giảm thì góc sau động giảm ( ' 1') và góc trước động tăng ('1') và ngược lại Khi đường kính gia công giảm đến mức nào đó sẽ xảy ra trường hợp góc sau động âm, lúc này lưỡi cắt của dụng cụ không cắt vào phôi để tạo phoi mà chủ yếu tỳ, mài mặt sau vào phôi, làm giảm chất lượng bề mặt gia công Đối với các góc nghiêng chính và phụ tại thời điểm khác nhau trên prôphin chi tiết cũng thay đổi tương ứng, nếu các góc này âm sẽ xảy ra hiện tượng cắt lẹm vào bề mặt chi tiết [1][9]

1.1.4 Ảnh hưởng của đường dụng cụ trong tiện prôphin đến chất lượng gia công

Theo [2] với cùng một dụng cụ cắt, cùng một chế độ cắt nhưng chất lượng bề mặt chi tiết đạt được sau khi gia công phụ thuộc nhiều vào phương án đường dụng cụ Như vậy, với mỗi bề mặt chi tiết cụ thể ta cần có phương án đường dụng cụ phù hợp để chất lượng

bề mặt tạo thành đảm bảo theo yêu cầu Các thông số của đường dụng cụ cũng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công Các thông số của đường dụng cụ bao gồm:

- Hình dạng đường dụng cụ

- Hướng tiến dao: Cắt thuận, nghịch hay hỗn hợp

- Khoảng cách giữa hai đường chạy dao liên tiếp (bước tiến ngang)

(c)

Hình 1.6 Các dạng cơ bản của đường dụng cụ khi tiện

(a) Dạng đường chạy dao khép kín (b) Dạng đường chạy dao zíc zắc (c) Dạng đường chạy dao song song

Trên Hình 1.6 xét trường hợp dụng cụ cắt có khả năng gia công được cả 03 biên dạng bề mặt (I, II, III) của chi tiết và đảm bảo không xảy ra hiện tượng cắt lẹm, góc nâng λ=0 (tức là không ưu tiên hướng thoát phoi cho trường hợp cắt thuận hay cắt nghịch), thông số chế độ cắt giống nhau, dao được gá kẹp cân đối đảm bảo góc nghiêng chính và nghiêng phụ bằng nhau, ta thấy rằng:

- Đối với bề mặt (III) ở cả 03 trường hợp chất lượng bề mặt là tương đối giống nhau do đường chạy dao giống nhau Bề mặt (I) và (II) ở trường hợp (b) đường dụng cụ trên 02 bề mặt này là các đoạn thẳng nối tiếp, khi cắt sẽ để lại vết giao tuyến giữa các đường dụng cụ nên chất lượng bề mặt không cao

- Đối với bề mặt (I, II) của trường hợp (a) đường dụng cụ là đường khép kín, khi càng gần về tâm chi tiết, một phần bề mặt (I, II) của chi tiết được dụng cụ chạy đi, chạy lại nhiều lần chỉ tiếp xúc mà không cắt phoi, do nhiều nguyên nhân như lẹo dao, biến dạng vật liệu

sẽ làm xây sát bề mặt đã gia công; trường hợp (c) các đường chạy dao luôn song song với

nhau nên lượng dư cho đường gia công cuối đồng đều do đó lực cắt ổn định sẽ tạo được bề mặt có chất lượng tốt nhất trong 03 trường hợp trên

Tuy nhiên, xét về năng suất gia công, nếu có cùng số lát cắt (ở cả 03 trường hợp trên đều là 05 lát cắt) phương án gia công nào có đường dụng cụ ngắn nhất sẽ cho năng suất cao nhất Thấy rằng trường hợp (b) có đường dụng cụ ngắn nhất sẽ cho năng suất gia công cao nhất Để cải thiện chất lượng bề mặt đối với trường hợp cụ thể như (b) người ta có thể tính toán phương án để lại lượng dư cho gia công tinh lần cuối theo biên dạng chi tiết

1.2 Đặc điểm dao tiện gắn mảnh HKC

1.2.1 Cấu tạo cơ bản

1- Vít kẹp

2- Mảnh dao 3- Bạc gá

4- Tấm đỡ

5- Thân dao

Hình 1.7 Cấu tạo dao tiện CNC

Theo [1][6][29] cấu tạo dao tiện CNC cơ bản được lắp ghép từ nhiều bộ phận riêng rẽ như Hình 1.7 Các bộ phận chính của dao tiện là thân dao, các vít kẹp và mảnh dao Mảnh dao được định vị lên thân dao thông qua bạc gá, hai cạnh của thân dao và tấm đỡ

Thân dao được chế tạo từ các loại thép hợp kim các bon thấp đến trung bình, có cơ tính hài hoà giữa độ cứng, độ dẻo dai, tính chịu mỏi cao Tuổi thọ trung bình của thân dao cao hơn nhiều lần so với mảnh dao Kích thước thân dao lớn tỷ lệ thuận với kích thước mảnh dao và đặc tính của phương pháp gia công (gia công thô, bán tinh và tinh) Thân dao được chế tạo tiêu chuẩn để lắp lẫn các mảnh dao, đồng thời phần chuôi dao lắp lẫn được hầu hết trên các loại máy CNC, đảm bảo vị trí mũi dao luôn ngang tâm chi tiết Tuy nhiên một số trường hợp đặc biệt người thao tác vẫn phải căn, đệm để đảm bảo độ cứng vững

Mảnh dao cắt có tính cứng, dòn do vậy cần chế tạo tấm đỡ bằng thép các bon thấp có tính mềm, dẻo, có nhiệm vụ hấp thụ một phần các ứng suất đột ngột và rung động trong quá trình cắt từ phôi truyền vào mảnh dao, đồng thời tránh cho thân dao khỏi bị hư hại khi mảnh dao bị vỡ

Bạc gá chỉ sử dụng đối với các loại mảnh dao có lỗ định vị Bạc gá được chế tạo chính xác và được tiêu chuẩn hoá, khi lắp lên thân dao thường tạo với pháp tuyến mặt trước của dao một góc nhỏ từ 0,5o…1o, mục đích khi lắp vít kẹp chặt mảnh dao tạo được góc côn nêm chặt mảnh dao lên thân dao Bạc gá cũng có độ cứng vừa phải để không làm sứt vỡ mảnh dao khi kẹp chặt

Do phải chịu lực cắt lớn khi tiện nên cần thiết phải ổn định mảnh dao trên thân dao Do vậy, vít kẹp có tác dụng kẹp chặt và duy trì vị trí mảnh dao nằm chính xác trên thân dao Các vít kẹp được chế tạo chính xác và tiêu chuẩn hóa

Theo [33][38] các mảnh dao thay thế nhiều cạnh HKC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong gia công CNC do tính ổn định và dễ dàng thay thế khi hư hỏng Mảnh dao còn có nhiều lưỡi cắt cho phép thay đổi lưỡi cắt khác khi bị hỏng hoặc bị mòn Do đó, mảnh dao thường được chế tạo chính xác, đảm bảo khi thay thế các lưỡi cắt trên một mảnh dao hoặc khi thay thế hai mảnh dao cùng loại, vị trí phần cắt vẫn đảm bảo độ chính xác so với điểm gốc gia công

Theo [84] mảnh dao thường được làm từ hợp kim cứng (HKC) hoặc gốm đã qua thiêu kết Chúng được sản xuất bằng cách ép bột mịn vật liệu tương ứng rồi đem xử lý nhiệt, định hình thành các hình dạng khác nhau Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất mảnh dao HKC như: Sandvik, Seco, Nachi, Tungaloy, Koycera, Funamental, … Hình dạng hình học mảnh dao khác nhau tuỳ theo tính năng, tác dụng và nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, để đảm bảo tính lắp lẫn hầu hết các mảnh dao được tiêu chuẩn hoá theo hình dáng

cơ bản, góc, lưỡi cắt, dung sai, hệ thống gá hoặc kích thước chính của chúng Một số hình dạng cơ bản của mảnh dao được trình bày trong Hình 1.8

Hình 1.8 Các hình dạng cơ bản của mảnh dao

1.2.2 Vật liệu chế tạo phần cắt dụng cụ

Theo [1][9] vật liệu chế tạo phần cắt của dụng cụ đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghệ chế tạo máy Đặc tính phần cắt dụng cụ có ảnh hưởng lớn đến năng suất gia công và chất lượng bề mặt chi tiết Phần cắt dụng cụ làm việc trong điều kiện cắt khắc nghiệt vì ngoài áp lực, nhiệt độ cao, phần cắt dụng cụ còn bị mài mòn và rung động trong quá trình cắt Do đó, để nâng cao năng suất cắt, chất lượng bề mặt gia công, phần cắt của dụng cụ không những phải có hình dạng hình học hợp lý mà còn phải được chế tạo từ những loại vật liệu thích hợp Vì vậy, vật liệu dụng cụ cắt cần thiết phải đảm bảo những yêu cầu cơ bản sau đây

- Vật liệu chế tạo dao phải có độ cứng cao: Về nguyên tắc dao muốn tách được phoi phải có độ cứng cao hơn độ cứng của chi tiêt gia công, độ cứng đó phải được duy trì ở

nhiệt độ cắt trong thời gian dài Theo thực nghiệm độ cứng ở nhiệt độ bình thường phải đạt được từ 61HRC trở lên Khi cắt ở nhiệt độ cao, độ cứng đó phải đạt trên 55 HRC

- Vật liệu chế tạo dao phải có độ bền và độ dẻo cần thiết Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt thường phải chịu các lực và xung lực rất lớn Mặt khác, dụng cụ cắt còn chịu rung động

do hệ thống máy - dao - đồ gá - chi tiết không đủ độ cứng vững, dụng cụ có đủ độ bền và

độ dẻo cần thiết mới chịu được áp lực và va đập lớn

- Vật liệu chế tạo dao phải có khả năng chịu mài mòn cao Độ bền mòn của vật liệu dụng cụ cắt được đặc trưng bởi khả năng giữ vững hình dáng và thông số hình học phần cắt trong quá trình gia công Trong quá trình cắt, mặt trước dụng cụ tiếp xúc với phoi, mặt sau tiếp xúc với mặt đang gia công chi tiết với tốc độ trượt lớn, nên vật liệu dụng cụ phải

có tính chịu mòn cao Thực tế chỉ rõ rằng khi độ cứng càng cao thì tính chịu mòn vật liệu càng cao Tính chịu mòn vật liệu tỷ lệ thuận với độ cứng

- Vật liệu chế tạo dao phải có độ bền nhiệt tốt, đây là tính năng quan trọng của vật liệu dụng cụ cắt Nó quyết định việc duy trì khả năng cắt của dao trong điều kiện nhiệt độ và áp lực rất lớn ở vùng cắt, có nghĩa là khi cắt ở nhiệt độ cao thì cơ - lý tính của vật liệu thay đổi trong phạm vi cho phép

- Vật liệu chế tạo dao phải có tính công nghệ tốt và tính kinh tế cao Điều đó có nghĩa

là vật liệu dùng để chế tạo phải được gia công dễ dàng, dễ kiếm và giá thành rẻ

1.2.3 Vật liệu dụng cụ cắt để gia công thép không gỉ SUS304

Theo [1][7][9][19][29] Khi chọn vật liệu dụng cụ cắt để sử dụng, nhà công nghệ không những phải dựa vào tính chất của nó mà còn phải dựa vào tính chất cơ lý của vật liệu gia công, phương pháp gia công, độ cứng vững của hệ thống công nghệ (Máy - Dao - Đồ gá - Phôi), yêu cầu về độ chính xác và độ bóng bề mặt

Theo [17] thép không gỉ thuộc nhóm vật liệu khó gia công, để gia công thép này thường sử dụng vật liệu dụng cụ cắt bằng : Thép gió, HKC hoặc vật liệu bột (kim cương, vật liệu sứ, ) Trong thực tế gia công cắt gọt thép không gỉ dụng cụ cắt bằng HKC được

sử dụng rất phổ biến HKC có nhiều ưu điểm cơ bản mà thép các bon dụng cụ và thép hợp kim dụng cụ không có được Những ưu điểm là:

1- Độ cứng cao (thông thường độ cứng ≥70 HRC) và độ cứng đó không giảm mấy trong điều kiện cắt cao tốc và nhiệt độ cao 800÷1000(oC)

2- Khả năng chịu mài mòn cao, do đó tuổi bền cao

Tuy vậy, HKC cứng có nhược điểm là dòn, khả năng chịu uốn và chịu va đập không cao Do đó, trong quá trình gia công cần hạn chế va đập, tránh tải trọng thay đổi và yêu cầu hệ thống công nghệ bảo đảm cứng vững

Các loại và hàm lượng các bít quyết định tính năng cắt gọt của HKC; bột coban chủ yếu có tác dụng dính kết, đồng thời có tác dụng làm tăng độ dẻo của hợp kim cứng

Theo [30][38] trong ba vật liệu: Gốm, HKC và thép gió, HKC có cơ tính hài hoà nhất về khả năng chịu uốn, va đập và rung động Hình 1.9

Hình 1.9 Biểu đồ so sánh hiệu suất và khả năng chịu rung động

Theo [1][6][29][84] cho đến nay, trong ngành chế tạo máy thường dùng ba nhóm hợp kim cứng sau:

- Hợp kim cứng 1 các bít: Gồm có các bột WC và bột dính kết Co Ký hiệu công thức theo tiêu chuẩn ΓOCT 3882-74 là BK, theo ISO ký hiệu là K

- Hợp kim cứng 2 các bít: Gồm có bột WC, bột TiC trộn với bột dính kết Co để thiêu kết Ký hiệu theo ΓOCT 3882-74 là TK, theo ISO ký hiệu là P

- Hợp kim cứng 3 các bít: Gồm WC, TiC, TaC với bột Co đem thiêu kết Ký hiệu theo ΓOCT 3882-74 là TTK, theo ISO ký hiệu là M

Phạm vi ứng dụng của một số hợp kim cứng nhóm 3 các bít trình bày trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Ký hiệu và ứng dụng của vật liệu hợp kim cứng

Màu

sắc

thay đổi

Phạm vi ứng dụng

Gia công tinh và bán tinh với v lớn

và trung bình, q nhỏ và trung bình

Thép khó gia công, thép Austenit, thép chịu nhiệt, thép qua tôi, thép mangan, thép đúc, hợp kim Titan, gang xám

Gia công tinh và bán tinh với v và q trung bình

M30 BK10-OM

Thép khó gia công, thép Austenit, thép chịu nhiệt, thép qua tôi, thép mangan, thép đúc, hợp kim Titan,

cứng

Gia công thô và bán tinh với v và q trung bình

Thép hợp kim, các bon bề

mặt không liên tục, vỏ cứng (phôi rèn, dập)

Gia công thô và bán tinh với v trung bình, q lớn

* Ghi chú: v- Vận tốc cắt (m/phút)

q- Tiết diện lớp cắt (q= a.b mm2), a: là chiều sâu lớp cắt, b: Chiều rộng cắt

Theo [1][3][6][30][84] với vật liệu gia công là thép không gỉ SUS304, theo khuyến cáo của các hãng sản xuất hợp kim cứng trên thế giới, ta có thể sử dụng mảnh dao HKC M20 (TT10K8) để gia công tinh và bán tinh thép không gỉ SUS304, thành phần hóa học và cơ tính trình bày trong Bảng 1.2

Bảng 1.2 Thành phần hoá học, cơ tính của hợp kim cứng TT10K8

Thực vậy HKC M20 theo ISO (tương đương TT10K8 ГOCT 3882-74) là HKC nhóm 3 các bít WC, TiC, TaC nên có độ cứng, độ bền và tính chống mòn cao, chuyên dùng để gia công tinh và bán tinh các loại vật liệu khó gia công (thép không gỉ, thép bền nóng…) Với thành phần chính là WC-Co được hợp kim hóa thêm 7%TaC+3%TiC, cơ tính của hợp kim nhận được vừa kết hợp độ cứng nóng, độ bền cao của WC-Co (độ cứng ≥89 HRA, độ bền uốn ≥1450 MPa) vừa cải thiện tăng độ bền nhiệt, độ bền nén, bền mòn do khuếch tán Như vậy, việc lựa chọn HKC TT10K8 để gia công thép không gỉ SUS304 là phù hợp

1.2.4 Lớp phủ bề mặt mảnh dao

Theo [30][84] lớp phủ chịu mòn có khả năng chống mòn và ăn mòn rất tốt khi chịu tác động của các nguyên nhân cơ, hóa, nhiệt, Do vậy chúng được áp dụng cho các bề mặt cần có khả năng chống mài mòn, ăn mòn Lớp phủ làm tăng tuổi bền, nâng cao tính năng cắt của dụng cụ cắt, đem lại nhiều hiệu quả cho quá trình cắt gọt

Các tính chất khác nhau của lớp phủ như: độ cứng tế vi, độ dính kết với nền, độ nhám bề mặt, hệ số ma sát khi tiếp xúc, độ ổn định nhiệt và hóa phụ thuộc vào: Thành phần lớp vật liệu của lớp phủ và công nghệ phủ

Dụng cụ cắt có thể sử dụng một lớp phủ hoặc nhiều lớp phủ Một số lớp phủ hiện đang

sử dụng chủ yếu như đơn Nitrit Titan (TiN); đa Nitơrit (Ti, Al)N, Ti(B, N), Ti(C, N) ; các lớp phủ cacbit; lớp phủ oxit; borit; lớp phủ kim cương và giống như kim cương Mỗi dạng lớp phủ có độ cứng khác nhau (Hình 1.10)

Hình 1.10 Biểu đồ so sánh độ cứng tế vi của các lớp phủ

1.2.5 Ký hiệu và phương pháp lựa chọn mảnh dao

1.2.5.1 Ký hiệu mảnh dao

Theo [84] bộ thông số của dụng cụ cắt trên máy CNC được tiêu chuẩn hoá gồm cả chữ

và số Hình 1.11 trình bày ký hiệu của mảnh dao Sandvik

Hình 1.11 Ký hiệu mảnh dao

- Thông số 1 (Hình 1.12): Là ký hiệu hình dạng mảnh dao gồm C, D, R, S, T, V, W

Hình 1.12 Ký hiệu hình dạng mảnh dao

- Thông số 2 (Hình 1.13): Góc sau của mảnh dao khi chưa lắp lên thân dao:

Hình 1.13 Ký hiệu dạng góc sau mảnh dao

- Thông số 3 (Bảng 1.3): Dung sai kích thước mảnh dao

Bảng 1.3 Dung sai theo hình dạng mảnh dao

Hình 1.14 Ký hiệu hình dạng lắp ghép của mảnh dao

- Thông số 5 (Bảng 1.4): Kích thước mảnh dao

Bảng 1.4 Kích thước mảnh dao

- Thông số 6 (Bảng 1.5): Chiều dày mảnh dao

Bảng 1.5 Ký hiệu và kích thước chiều dày tiêu chuẩn của mảnh dao

Ký

s

(mm) 1,59 1,98 2,38 3,18 3,97 4,76 5,56 6,35 7,94 9,52 10,0 12,0

- Thông số 7 (Bảng 1.6): Bán kính mũi dao

Bảng 1.6 Ký hiệu và kích thước bán kính mũi dao

Ký

rε

(mm) 00 0,1 0,2 0,4 0,5 0,8 1,0 1,2 1,5 1,6 2,4 3,2

- Thông số 8: Tuỳ chọn gia công

+ PF: Gia công tinh

+ MR: Gia công thô

1.2.5.2 Phương pháp lựa chọn phù hợp mảnh dao, thân dao

Để lựa chọn phù hợp giữa mảnh dao và thân dao có thể sử dụng quy tắc làm trùng các phần tử tương ứng trong các điều kiện tiêu chuẩn (Hình 1.15) như sau:

- Mảnh dao

- Thân dao tiện ngoài

- Thân dao tiện lỗ

Hình 1.15 Quy tắc chọn thân dao theo dạng mảnh dao

- Phần tử đầu tiên trong ký hiệu của mảnh dao cần phải giống phần tử thứ hai trong ký hiệu của thân dao đối với tiện ngoài và phần tử thứ 5 đối với gia công tiện lỗ

- Phần tử thứ 2 trong ký hiệu mảnh dao phải giống phần tử thứ 4 trong ký hiệu của thân dao đối với gia công tiện ngoài và phần tử thứ 7 đối với gia công tiện lỗ

- Phần tử thứ 5 trong ký hiệu mảnh dao phải giống phần tử thứ 9 trong ký hiệu của thân dao đối với cả gia công tiện ngoài và gia công tiện lỗ

1.3 Độ chính xác hình học chi tiết gia công tiện

Theo [1][6] độ chính xác gia công của chi tiết máy là mức độ giống nhau về hình học, về tính chất cơ lý lớp bề mặt được gia công so với chi tiết máy lý tưởng trên bản vẽ thiết kế Nói chung, độ chính xác của chi tiết máy được gia công là chỉ tiêu khó đạt và gây tốn kém

Trong thực tế, không thể chế tạo được chi tiết máy tuyệt đối chính xác, nghĩa là hoàn toàn phù hợp về mặt hình học, kích thước cũng như tính chất cơ lý với các giá trị ghi trong bản vẽ thiết kế Giá trị sai lệch giữa chi tiết gia công và bản vẽ thiết kế được dùng để đánh giá độ chính xác gia công Các chỉ tiêu đánh giá độ chính xác gia công:

- Độ chính xác kích thước: Được đánh giá bằng sai số kích thước thực tế so với kích thước lý tưởng cần có và được thể hiện bằng dung sai của kích thước đó

- Độ chính xác hình dáng hình học: Là mức độ phù hợp lớn nhất của chúng với hình dạng hình học lý tưởng của nó và được đánh giá bằng độ côn, độ ôvan, độ không trụ, độ không tròn (bề mặt trụ), độ phẳng, độ thẳng (bề mặt phẳng)

- Độ chính xác vị trí tương quan: được đánh giá theo sai số về góc xoay hoặc sự dịch chuyển giữa vị trí bề mặt này với bề mặt kia (dùng làm mặt chuẩn) trong hai mặt phẳng tọa

độ vuông góc với nhau và được ghi thành điều kiện kỹ thuật riêng trên bản vẽ thiết kế như

độ song song, độ vuông góc, độ đồng tâm, độ đối xứng

- Độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi) còn gọi là sai lệch hình học tế vi, đây là sai số của bề mặt thực quan sát trong một miền rất nhỏ, hình thành do nhiều yếu tố (như chế độ

và điều kiện gia công, hình dạng hình học dụng cụ, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, rung động trong quá trình cắt, sự biến dạng dẻo của vật liệu gia công, v.v…) [1][6][9]

1.3.1 Độ nhám bề mặt khi tiện prôphin

Khi tiện bề mặt tròn xoay có prôphin

phức tạp, cơ bản cũng giống như đối với bề

mặt trụ thẳng Có thể coi prôphin của chi

tiết là nối tiếp của vô số các đoạn thẳng,

chiều cao nhấp nhô tế vi (nhám bề mặt) khi

gia công tinh (0,63÷1,25μm) thường chỉ

bằng vài phần nghìn của chiều dài lấy mẫu,

thông thường llấy mẫu = 3÷5(mm) Hình 1.16 Sơ đồ biểu diễn độ nhám bề mặt R aTheo [30] có thể sử dụng các công thức xác định độ nhám bề mặt thông thường đối với trụ thẳng Hầu hết các thiết bị đo độ nhám bề mặt hiện này đều có chức năng kiểm tra độ nhám bề mặt trên các prôphin Theo TCVN2511-95, để đánh giá độ nhám người ta sử dụng chỉ tiêu độ sai lệch số học trung bình của prôphin R , là trị số số học trung bình các giá trị a

tuyệt đối của sai lệch prôphin trong giới hạn chiều dài chuẩn l Sai lệch prôphin là khoảng cách từ các điểm trên prôphin thực đến đường trung bình, đo theo phương pháp tuyến với đường trung bình Đường trung bình là đường chia prôphin theo hai phần có diện tích giới hạn (phần gạch đứng) bằng nhau như Hình 1.16 [1][6][9]

( ) 0

Hình 1.17 Độ nhám bề mặt R a khi tiện

+ Khi coi mũi dao nhọn tuyệt đối như Hình 1.17 (a):

1 1

trong đó:  , 1- là góc nghiêng chính và phụ

+ Khi mũi dao có r như Hình 1.17 (b):

142

a

trong đó: r - là bán kính mũi dao

Theo [30] trong trường hợp gia công tinh, chiều sâu cắt thường nhỏ hơn bán kính mũi dao, lúc này độ nhấp nhô R không phụ thuộc vào góc nghiêng và được xác định theo a

bước tiến dao và bán kính mũi dao, theo [30] có thể xác định gần đúng:

2

0, 0321

a

s R

r

Để giảm chiều cao nhám người ta sử dụng loại mảnh dao wiper (Hình 1.18) có phần mũi dao không phải là cung tròn, mà là các đoạn thẳng nối tiếp [84]

Hình 1.18 Biểu đồ so sánh độ nhám Ra khi dùng mảnh dao có bán kính mũi dao và kiểu wiper

Trên Hình 1.18 cho thấy các mảnh dao kiểu wiper có phần cạnh cắt gần như song song với bề mặt phôi, do đó vết cắt của dụng cụ trên mặt phôi sẽ là những đường thẳng song song, chiều cao nhấp nhô giữa hai vết cắt đã giảm đáng kể so với mũi dao có bán kính thông thường Biểu đồ trên Hình 1.18 cho thấy ưu điểm vượt trội của mảnh dao kiểu wiper, cùng một chế độ gia công thì độ nhấp nhô bề mặt có thể giảm đến 50% so với mũi dao có r thông thường [84]

1.3.2 Độ chính xác kích thước

Theo [1][38] trong gia công cơ khí để tạo được bề mặt có prôphin đúng như thiết kế thì dụng cụ phải di chuyển theo đường chạy lập trình để vết tiếp xúc trùng khít với bề mặt Prôphin bề mặt có thể là các đoạn thẳng, đoạn cong bất kỳ, việc kiểm tra độ chính xác về hình dạng, kích thước prôphin khá phức tạp và mất nhiều thời gian, một số trường hợp cụ thể như prôphin chi tiết dạng lỗ sâu, biên dạng gồm chuyển tiếp bởi nhiều đường cong việc

kiểm tra là rất khó khăn, thậm trí người ta phải rút tỷ lệ sản phẩm và phá hủy chúng để kiểm tra biên dạng

Để đánh giá được độ chính xác hình học prôphin, đầu tiên chúng ta phải phân tích được đường prôphin đó thành các đường nối tiếp có quy luật xác định và vị trí tương quan giữa chúng Tiếp đó mới có thể vận dụng các phương pháp truyền thống để đánh giá

Do đặc điểm điều khiển gia công của các máy CNC và đặc điểm về hình dạng hình học của dụng cụ cắt, để đánh giá độ chính xác kích thước prôphin bề mặt người ta thường đánh giá dựa vào dung sai gia công Trong thực tế có một số phương pháp phổ biến để xác định

độ chính xác hình học bề mặt như: Sử dụng máy phóng quang học, sử dụng máy đo toạ độ

và máy quét laze để quét lại biên dạng chi tiết gia công từ đó đem ra so sánh với prôphin bề mặt thiết kế [1]

Trên Hình 1.19 và 1.20 cho thấy bề mặt thực tạo thành là tập hợp các phần bề mặt gẫy khúc nối tiếp nhau phân bố đối xứng, trên hay dưới so với bề mặt lý thuyết tương ứng với các trường hợp lấy dung sai gia công đối xứng, dương hay âm [1][6][9]

Hình 1.19 Độ nhám và sóng bề mặt Hình 1.20 Bề mặt 3D điển hình sau tiện

1.4 Cơ sở lý thuyết về động lực học và mòn dụng cụ khi tiện CNC 1.4.1 Lực cắt

1.4.1.1 Động lực học quá trình tiện

Theo [1][33][38] trong quá trình cắt kim loại, để tách phoi và thắng được ma sát cần có lực Lực sinh ra trong quá trình cắt gọi là lực cắt, là động lực cần thiết nhằm thực hiện quá trình biến dạng nhằm phá huỷ liên kết trong nội bộ kim loại và thắng lực ma sát Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý nghĩa cả về lý thuyết và thực tiễn Trong thực tế, những nhận thức về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế

đồ gá, tính toán và thiết kế máy móc, thiết bị … Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ Muốn hiểu được quy luật mài mòn, phá huỷ và công tiêu hao khi cắt thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hóa lý thuyết quá trình cắt

Trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là một hằng số, mà biến đổi theo quãng đường dụng cụ Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi tiết gia công Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến dạng phần tử khác [1][9]

Quá trình cắt thực hiện được cần có lực để thắng biến dạng và ma sát Do vậy lực cắt theo định nghĩa trên có thể hiểu rằng có nguồn gốc từ quá trình biến dạng và ma sát Biến dạng khi cắt gồm có biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Do vậy, lực sinh ra do biến dạng cũng có lực biến dạng đàn hồi P đhvà lực biến dạng dẻo P d Ta có sơ đồ phân tích lực cắt như Hình 1.21

Hình 1.21 Mô hình lực cắt khi tiện

Do ảnh hưởng của các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt nên trị số và phương của hợp lực P luôn luôn thay đổi Để tiện cho việc nghiên cứu người ta thường phân tích hợp lực P thành 03 thành phần theo hệ toạ độ đề các như Hình 1.22 [9]

- Thành phần P hay z P : nằm theo hướng chuyển động chính (hướng tốc độ cắt), thành v

phần này gọi là lực tiếp tuyến, lực cắt chính Giá trị lực P cần thiết để tính toán công suất z

chuyển động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết, cơ cấu chuyển động chính và của những chi tiết khác của máy công cụ

- Thành phần P hay x P : tác dụng ngược hướng chay dao, gọi là lực chiều trục hay lực s

chạy dao Biết lực này để tính độ bền của chi tiết trong chuyển động chạy dao, độ bền của dao và công suất tiêu hao của cơ cấu chạy dao

- Thành phần P hay y P : tác t

dụng trong mặt phẳng nằm ngang

và vuông góc với đường tâm chi

tiết (vuông góc với mặt phẳng sau

khi gia công) Thành phần này gọi

là lực hướng kính làm cong chi tiết

khi gia công (biểu diễn bằng độ

võng) ảnh hưởng đến độ chính xác

gia công, độ cứng vững của máy

và dụng cụ cắt Hình 1.22 Các thành phần lực cắt khi tiện quy chiếu theo

hệ tọa độ Đề các

Sau khi xác định được các lực thành phần P , x P , y P thì lực cắt tổng P được xác định z

theo công thức:

x y z

1.4.1.2 Mô hình lực cắt khi cắt nghiêng

Theo [30] cắt trực giao là một mô hình cơ học hai chiều, không xét đến sự biến dạng của phoi theo chiều thứ ba, nó đại diện cho một trường hợp đặc biệt của mô hình cắt nghiêng (khi góc nghiêng bằng 0 tức là lưỡi dao luôn vuông góc với hướng cắt) Tuy nhiên, cắt trực giao vẫn được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm bởi sự đơn giản và vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết, nhiều biến độc lập được loại bỏ Đối với mô hình cắt nghiêng là mô hình phân tích động lực học không gian tổng quát cho các mô hình phân tích lực, nó có tính thực tế cao nhưng phân tích phức tạp hơn Lực cắt tổng hợp có thể được phân tích thành các lực thành phần Hầu hết các phân tích đều sử dụng các hệ toạ độ, trong đó một trục song song với biên cắt hoặc vận tốc cắt Đối với một quá trình cắt nghiêng thông thường, mô hình phân tích lực cắt nghiêng trình bày trên Hình 1.23, 1.24 [30][33][36]

Trong quá trình cắt nghiêng, tỷ lệ của các thành phần lực cắt phụ thuộc vào chiều sâu cắt và lượng chạy dao Điều này có thể được giải thích bởi thực tế rằng chiều sâu cắt và lượng chạy dao ảnh hưởng đến hướng thoát phoi và vì vậy ảnh hưởng đến hướng của lực

ma sát giữa phoi và mặt trước dụng cụ Hình 1.23, 1.24 mô tả lực tác dụng lên mặt trước dụng cụ có góc nâng của lưỡi cắt chính λ=0

Trong đó, F , n F là thành phần lực cắt chính theo cạnh cắt và theo hướng vận tốc cắt c

tương ứng, F p là thành phần song song với cạnh cắt; F vuông góc với mặt phẳng tạo bởi z

Hình 1.24 Các lực cắt N và P trong mô hình cắt nghiêng

Một số phân tích sử dụng hệ toạ độ đặt lên mặt trước của dao, trong hệ thống này (Hình 1.24), các thành phần lực pháp tuyến và ma sát thường được xác định là N và P Có thể được tính từ các phương trình:

Trong đó,  là góc nghiêng của dụng cụ,  là góc dòng chảy của phoi

1.4.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt

Theo [1][6][9] lực cắt chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: Vật liệu dụng cụ, vật liệu phôi, hình dạng hình học phần cắt dụng cụ, độ mòn dao, dung dịch trơn nguội, trong đó, nhóm các yếu tố ảnh hưởng quan trọng và có tính chất điều khiển được đó là các thông số chế độ cắt (tốc độ cắt v, lượng chạy dao s, chiều sâu cắt t)

Các nghỉên cứu về quá trình cắt gọt cho thấy chế độ cắt có ảnh hưởng lớn đến sự phát sinh lực cắt Các nghiên cứu của Kronenberg M, Paul H.Black cho rằng lực cắt đơn vị p là áp lực sinh ra trong quá trình cắt trên 2

1mm diện tích tiết diện lớp cắt có kích thước bất kỳ,

Như vậy có thể thấy rằng bước tiến dao và chiều sâu cắt có ảnh hưởng lớn đến lực cắt Theo [1] nghiên cứu thực nghiệm về sự ảnh hưởng của hai yếu tố trên đến lực cắt đơn

vị một số tácgiả đã đưa ra các công thức thực nghiệm để tính lực cắt đơn vị như sau:

- Friedrich:

2 1

bằng công thức sau:

- Ảnh hưởng của vật liệu gia công: Mỗi vật liệu có độ cứng, độ bền, độ dẻo khác nhau,

khả năng biến cứng cùng với một số điều kiện cắt thì chúng xác định độ lớn công biến dạng và công ma sát Tức là trị số lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công và cơ lý tính vật liệu đó, các nghiên cứu cho thấy lực cắt khi tiện vật liệu dẻo lớn hơn khi tiện vật liệu cứng

- Ảnh hưởng của chiều dày cắt: Khi giảm chiều dày phoi thì sẽ tăng giá trị tương ứng

của công biến dạng do hậu quả tăng độ biến cứng bền trong phần tạo phoi Ngoài ra giá trị tuyệt đối của lực cản cắt đơn vị thụ động (trên mặt sau) trên 1mm chiều dài lưỡi cắt, trên thực tế không phụ thuộc vào chiều dày phoi Bởi vậy, chiều dày phoi càng nhỏ thì càng ảnh hướng đến độ lớn của lực cắt đơn vị Chiều rộng phoi ít ảnh hưởng đến lực cắt đơn vị, bởi vì lực cắt đơn vị phụ thuộc vào diện tích phoi cắt cũng có đặc trưng như chiều dày cắt

- Ảnh hưởng của vận tốc cắt: Khi thay đổi tốc độ cắt, nhiệt cắt thay đổi, nhiệt cắt tăng

có thể làm thay đổi tình trạng ma sát giữa dao và phoi, chi phối đến sự xuất hiện và mất đi của phoi bám kết quả đó làm thay đổi đáng kể đến lực cắt Khi cắt với tốc độ cắt thấp thì ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt là đáng kể, nhưng khi cắt với tốc độ cắt cao thì sự ảnh hưởng gần như không đáng kể và có xu hướng giảm Theo nghiên cứu của King R.I,

Tlusty J và Smith S khi tăng vận tốc cắt làm tăng đáng kể nhiệt cắt, có thể đạt tới 9000C hoặc cao hơn đẫn đến làm cho lớp kim loại giữa phoi và mặt trước của dao chảy lỏng, làm giảm ma sát giữa phoi và dao kết quả làm cho lực cắt giảm Một nghiên cứu khác chỉ ra rằng khi cắt với vận tốc cắt trung bình, nhiệt trong vùng cắt vào khoảng 5000C thì lực cắt giảm rõ rệt Nhưng khi cắt với tốc độ cắt cao (khoảng từ 80m/phút trở lên) thì lực cắt giảm nhưng không đáng kể, gần như không đổi Đây chính là vùng vận tốc cắt thường được sử dụng trên các máy gia công CNC

- Ảnh hưởng của góc trước γ: Khi góc trước càng lớn càng dễ thoát phoi, dễ biến dạng

hơn do vậy lực cắt giảm Thực nghiệm ảnh hưởng của γ đến P , x P nhiều hơn y P z

- Ảnh hưởng của góc cắt δ: Đây là thông số hình học ảnh hưởng nhiều nhất đến độ lớn

lực cắt đơn vị Khi góc cắt giảm thì lực cắt đơn vị giảm

- Ảnh hưởng của góc sau α: Nếu α càng lớn thì lực cắt càng giảm vì ma sát giữa dao và

chi tiết giảm nên biến dạng giảm Ảnh hưởng của góc sau liên quan đến lực cản cắt thụ động (trên mặt sau) bởi thế nên tác động của nó chỉ rõ nét khi gia công thiết diện phoi bé

và vật liệu dòn

- Ảnh hưởng của góc nghiêng chính φ: Liên quan đến chiều dày phoi với tiết diện cho

trước Khi bán kính mũi dao rất nhỏ, cố định chiều sâu cắt t và bước tiến dao s, φ tăng thì t tăng do đó hệ số co phoi giảm dẫn đến P giảm Khi bán kính mũi dao khác 0, thực x

nghiệm cho thấy φ tăng, P tăng, y P giảm, x P tăng khi φ > 60 z o, P giảm khi φ ≤ 60 z o

- Ảnh hưởng của góc nghiêng phụ φ 1 : Liên quan đến chiều dày phoi với tiết diện cho

trước φ1 tăng thì chiều dài phần mũi dao tăng làm biến dạng tăng nên lực cắt tăng

- Bán kính mũi dao r: Khi bán kính tăng chiều dài tiếp xúc của lưỡi cắt với vật liệu gia

công với lượng chạy dao không đổi thì giá trị trung bình của chiều dày phoi giảm Thực nghiệm cho thấy khi bán kính mũi dao tăng thì P , x P tăng vì biến dạng tăng, y

Ngoài ra, lực cắt còn chịu sự tác động của những yếu tố khác như: Nhiệt độ, rung động, dung dịch trơn nguội, v.v nhưng sự ảnh hưởng thường không đáng kể, trong nghiên cứu thực nghiệm có thể bỏ qua

1.4.2 Mòn dụng cụ

1.4.2.1 Các dạng mòn

Theo [1][6][9][16] trong quá trình gia công, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao cắt gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt của dụng cụ Mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp, xảy ra theo các hiện tượng lý hóa ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng áp lực trên các bề mặt tiếp xúc của dụng cụ khi cắt lớn hơn rất nhiều so với áp lực làm việc trên các chi tiết máy (15÷20 lần) và dụng cụ bị mài mòn theo nhiều dạng khác nhau

Khi bị mài mòn, dạng và thông số hình học phần cắt dụng cụ thay đổi, gây nên các hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt (nhiệt cắt, lực cắt…) và làm giảm độ chính xác kích thước, chất lượng bề mặt chi tiết gia công, từ đó làm giảm năng suất, tăng chi phí sản xuất và giá thành của sản phẩm

Hình 1.25 Quan hệ giữa lượng mòn và thời gian

Quá trình mài mòn dụng cụ cắt theo thời gian cũng giống như quá trình mài mòn các chi tiết máy khi làm việc gồm có 3 giai đoạn (Hình 1.25) Giai đoạn mòn ban đầu: Dao bị mòn nhanh (đoạn OA); giai đoạn mòn ổn định (đoạn AB) lượng mòn gần như tỷ lệ tuyến tính với thời gian; giai đoạn mòn khốc liệt (đoạn BC), chiều cao mòn tăng nhanh trong thời gian ngắn, khả năng cắt của dụng cụ giảm mạnh, chủ yếu là hiện tượng tỳ, mài dụng cụ vào phôi, ở giai đoạn này mòn dao ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng gia công, để tiếp tục gia công bắt buộc phải thay dụng cụ khác (đối với mảnh dao thay thế) hoặc phài mài sửa lại phần cắt của dụng cụ

* Một số dạng mòn cơ bản của dụng cụ như sau:

- Mòn theo mặt sau: Là dạng mòn phổ biến nhất, được đặc trưng bởi một lớp vật liệu

dụng cụ bị tách khỏi mặt sau trong quá trình gia công Nguyên nhân cơ bản của dạng mòn này là do cơ chế mòn cào xước của quá trình mài mòn Khi gia công tinh nếu mòn mặt sau tăng lên sẽ làm tăng độ nhám bề mặt gia công, tăng ma sát dẫn đến tăng nhiệt cắt Khi gia công thô, tăng mòn mặt sau có thể làm tăng rung động làm tăng xác suất gẫy vỡ mảnh dao Mòn theo mặt sau được đánh giá bởi chiều cao mòn hs, được đo trong mặt cắt theo phương vuông góc với lưỡi cắt từ lưỡi cắt thực tế đến điểm mòn tương ứng Trị số mòn [hs] tại điểm B (Hình 1.25) được chọn làm chuẩn mài mòn hay điểm mòn giới hạn Mòn mặt sau được thể hiện trong Hình 1.26

Hình 1.26 Xác định chiều cao mòn mặt sau hs