Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực SKD61

Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực SKD61

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

PHẠM VĂN PHONG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CẮT NHẰM TĂNG TUỔI BỀN CỦA DAO PHAY NGÓN PHỦ PVD-TiN SỬ DỤNG PHAY

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phan Quang Thế Phản biện 1: PGS.TS Trần Thế Lục

Phản biện 2: TS Trần Minh Đức

Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: Phòng học Cao học số 3, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào hồi 9 giờ 30 phút ngày 21 tháng 5 năm 2009

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công

- Gia công được trên trung tâm phay VMC - 85S - Phôi rèn được ủ đạt độ cứng (220 - 250HB)

- Dụng cụ: Dao phay ngón, dụng cụ phủ TiAlN (xuất xứ Đài Loan)

Quá trình gia công ở trên tồn tại hạn chế là:

- Dụng cụ mòn nhanh do việc lựa chọn chế độ cắt dựa trên kinh nghiệm, chưa có cơ sở khoa học thực tế

- Tiêu tốn nhiều dụng cụ (12 con dao)

Thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử nghiệm

Các bước thực hiện, nội dung chính và kết quả của luận văn: 1 Thu thập các tài liệu tham khảo

2 Nghiên cứu lý thuyết phủ PVD, các dạng mòn, tuổi bền của dụng cụ và cách xác định

- Dùng bộ chế độ cắt lựa chọn lần lượt gia công các phần tử của khuôn để so sánh

- Gia công xong 1 phần tử ta thay dụng cụ để gia công phần tử khác Dùng máy cắt dây cắt dụng cụ, chiều dài cắt bằng chiều dày phoi (trong thí nghiệm tác giả cắt chiêu dài 3mm), rửa sạch bằng cồn, dùng máy nén khí thổi sạch bụi bẩn, dầu mỡ dính trên bề mặt dụng cụ, chụp ảnh SEM để nghiên cứu Phân tích thành phần vật liệu trên vùng mòn dụng cụ để đánh giá, kết luận chính xác hơn

- Khi cắt thép SKD61 với tốc độ cắt lựa chọn, lượng chạy dao thay đổi khi gia công các hốc S = 170 và 200mm/phút, chiều dày phoi a = 2mm, chiều sâu cắt t = 5 và 7,5mm Dụng cụ mòn nhưng vẫn trong giới hạn cho phép

- Mũi dao bị phá huỷ mạnh do nhiệt cắt tại mũi dao lớn nhất, ở vùng gần mũi dao mòn ít hơn và phát triển mạnh dần đến vị trí cách mũi cắt khoảng 2mm (bằng chiều dày phoi) thì dụng cụ mòn nhiều nhất, các vết nứt trên bề mặt xuất hiện nhiều nhất

* Cơ chế mòn:

- Với lớp phủ: VLGC bám dính lên bề mặt, khi vượt qua giới hạn mỏi lớp phủ bị phá huy và bong ra cùng VLGC (cơ chế dính mỏi) Vùng mòn phát triển từ lưỡi cắt, sau đó phát triển rộng dần

- Với vật liệu nền: Xuất hiện các vết chảy, nứt theo biên giới hạt rồi bong ra từng mảng vật liệu làm xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt, cứ như vậy dụng cụ bị bào mòn đến khi dụng cụ không còn khả năng cắt

* Phương hướng nghiên cứu tiếp theo:

- Tiếp tục nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho dụng cụ đặc biệt khi phay các cung tròn

- Tiếp tục nghiên cứu nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, đo lực cắt để làm sáng tỏ hơn cơ chế phá huỷ của lớp phủ khi phay thép SKD61

- Tiếp tục nghiên cứu cơ chế phá huỷ mũi dao, nghiên cứu mòn mặt trước của dụng cụ do các nguyên nhân khác nhau - Tiếp tục nghiên cứu mòn dụng cụ khi phay thép SKD61 đã qua tôi kết hợp biện pháp làm mát phù hợp để có khái

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Qua nghiên cứu thực tế quá trình gia công khuôn đúc áp lực mà sản phẩm là van đóng mở bình ga, vật liệu chế tạo khuôn là SKD61, quá trình gia công được thực hiện trên trung tâm phay VMC - 85S Từ phôi rèn được ủ đạt độ cứng nhất định (35 - 37HRC), quá trình gia công thực hiện bằng dao phay ngón đường kính 2, 6, 8, 10, 16mm, vật liệu dụng cụ TiAlN (xuất xứ Đài Loan) có thể gia công vật liệu có độ cứng 55HRC Giá thành mua dao: Dao 2: 180.000đ/con dao; dao 6: 310.000đ/con dao; dao 8: 340.000đ/con dao; dao 10: 520.000đ/con dao; dao

16: 1.700.000đ/con dao

Một bộ khuôn gia công gồm 6 phần tử (khuôn đúc được 6 chi tiết/lần) Thời gian gia công 12 ngày đêm, tốn 12 con dao Quá trình gia công được chia làm 3 bước:

Bước 1: Phay thô bằng dao đường kính 10, 16mm Bước 2: Phay bán tinh bằng dao phay đường kính 8mm

Bước 3: Gia công tinh bằng dao phay đầu cầu đường kính 2, 6mm

Sau khi gia công xong, kiểm tra đảm bảo độ chính xác kích thước, mang đúc thử 1.000 lần để khuôn ổn định, đảm bảo không bị biến dạng, cong vênh, nứt nẻ, sau đó đánh bóng và thấm Nitơ hoàn thiện

Khi nghiên cứu quá trình gia công trên, tác giả nhận thấy: Thời gian gia công và tiêu tốn dụng cụ lớn (tuổi bền dụng cụ thấp) Chế độ cắt được chọn như sau:

Tốc độ cắt: 2.500 vòng/phút (VC = 63m/phút) Lượng chạy dao: 80 - 100 mm/phút

Chiều sâu cắt thay đổi từ 0,8 - 1,2 mm

Việc lựa chọn chế độ cắt ở trên chủ yếu là dựa vào kinh nghiệm, chưa được qua nghiên cứu, thử nghiệm, không có căn cứ khoa học cụ thể do đó tuổi bền dụng cụ đạt thấp

Hạn chế của quá trình gia công ở trên là: Dụng cụ mòn nhanh, tiêu tốn nhiều dụng cụ (12 con dao), tác giả thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử

nghiệm để lựa chọn vùng chế độ cắt phù hợp, làm tăng tuổi bền của dụng cụ Vì

vậy, tác giả chọn đề tài: “Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay

ngón phủ PVD-TiN sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực SKD61” với mục đích ứng

dụng vào thực tế sản xuất là rất cấp bách và cần thiết

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

3 Lựa chọn phương pháp và phương tiện nghiên cứu:

- Lựa chọn phương pháp nghiên cứu làm thực nghiệm để chứng minh

- Phương tiện nghiên cứu: Máy phay VMC - 85S, máy chụp tế vi, máy đo nhám, kính hiển vi điện tử

4 Tổ chức nghiên cứu: a Xác định nhân tố quan hệ:

Nhân tố quan hệ nhân quả với tuổi bền của dụng cụ là các yếu tố của chế độ cắt

b Chọn đại lượng đặc trưng và thông số hoá thí nghiệm:

- Chọn đại lượng đặc trưng cho tuổi bền của dụng cụ: + Mòn mặt trước

+ Mòn mặt sau

+ Các vết nứt tế vi, các vết cào xước trên bề mặt - Đại lượng đặc trưng cho mối quan hệ:

+ Chọn biến độc lập: Các yếu tố của chế độ cắt

+ Thông số phụ thuộc: Mòn mặt trước, mòn mặt sau, các vết nứt, vết cào xước

- Xây dựng mô hình thí nghiệm:

Thông số đầu vào là hệ thống công nghệ

Các đại lượng xuất hiện trong quá trình gia công

Thông số đầu ra là chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế

- Trung tâm gia công VMC-85S CNC

- Vật liệu chi tiết gia công SKD61

- Dụng cụ cắt (thông số hình học dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt)

- Chế độ công cắt (s, v, t)

- Lực cắt - Nhiệt cắt - Rung động

- Mòn và cơ chế mòn

1 Sai số: - Kích thước

- Hình dáng hình học - Vị trí tương quan 2 Chất lượng bề mặt - Nhám bề mặt - Cơ lý bề mặt 3 Kinh tế:

- Thời gian gia công - Năng suất

- Giá thành sản phẩm 4 Tuổi bền dụng cụ Trong giới hạn của đề tài, tác giả chỉ nghiên cứu đại lượng xuất hiện trong quá trình gia công là mòn và cơ chế mòn, thông số đầu ra là tuổi bền của dụng cụ

c Điều kiện biên của thí nghiệm:

- Trung tâm gia công CNC: VMC - 85S - Dụng cụ là dao phay ngón phủ PVD-TiN - Vật liệu gia công SKD61

d Tiến hành thí nghiệm cắt thử:

- Chuẩn bị phôi, dụng cụ gia công Đo độ cứng, xác định thành phần của phôi - Tiến hành cắt thử các đường cắt, đo nhám, so sánh mòn dụng cụ, lựa chọn chế độ cắt để tiến hành gia công khuôn (gia công các hốc)

- Sau khi lựa chọn được chế độ cắt, tiến hành gia công các hốc Sau khi cắt tiến hành chụp ảnh SEM các dụng cụ, xử lý và phân tích số liệu

Thông số đầu vào Nghiên cứu quá

trình gia công Thông số đầu ra

5 Nội dung nghiên cứu:

Chương 1: Phủ PVD và ứng dụng trong cắt kim loại

Chương 2: Vấn đề chung về gia công các bề mặt bằng dao phay phủ bay hơi Chương 3: Nghiên cứu về mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61 Chương 4: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công

thép SKD61

Chương 5: Kết luận và phương hướng nghiên cứu

Nội dung của luận văn đưa ra các kết quả nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt, so sánh kết quả với thí nghiệm đã tiến hành trước đó Phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ khi gia công với các chế độ cắt khác nhau, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục trong quá trình gia công nhằm tăng năng suất và tuổi bền của dụng cụ

Các nội dung trong luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS Phan Quang Thế, sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo công tác tại Phòng Thí nghiệm Cơ khí và Động lực trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Với bản thân đã có nhiều nỗ lực phấn đấu tuy nhiên trong nội dung luân văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong được các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ để nội dung nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Em xin trân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2009

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Trịnh Mạnh Hà

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

[1] GS.TSKH Bành Tiến Long, PGS.TS Trần Sỹ Tuý, PGS.TS Trần Thế Lục

(2001), Nguyên Lý gia công vật liệu, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [2] GS.TS Trần Văn Địch (2006), Nguyên Lý cắt kim loại, Nhà xuất bản khoa học

và kỹ thuật, Hà Nội

[3] Ph.A.Barơbasôp (1984), Kỹ thuật phay (người dịch: Trần Văn Địch), Nhà xuất

bản công nhân kỹ thuật, Hà Nội

[4] Phạm Quang Lê (1979), Kỹ thuật phay, Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật, Hà

Nội

[5] Phan Quang Thế (2002), “Nghiên cứu khả năng làm việc của dụng cụ thép gió

phủ dùng cắt thép các bon trung bình”, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội

Tiếng Anh

[6] T.L.Banh, Q.T.Phan and D.B.Nguyen (2005), Wear Mechanisms of PVD

Coated HSS Endmills Used to Machine 1045 Hardened Steel, AZo-OARS

[7] W.Y.H Liew, W.L.Teh and X.Ding (2006), Wear of Nano-Coated Carbide

Tools in End Milling of Stainless Steel, Centre of Materials and Minerals, school of

Engineering and Information Technology, Universiti Malaysia Sabah, Locked Bag 2073, Kota Kinabalu, Sabah, Malaysia

[8] Dr Deepak G Bhat (2000), Application of CVD and PVD Technologies to

TechnologyMraketing and Commercialization UES, Inc., OH 45432, USA

[9] Norihiro TAKANASHI, Hideki MORIGUCHI, Kazuo YAMAGATA, Keiichi TSUDA, Yasuo TSUKIMORI, Yoshio FUKUYASU, Shinya IMAMURA and

Masafumi NIGOSHI (2002), Development of the “ACE COAT ACZ330”

PVD-Coated Insert for Steel Milling, Sei technical review, number 54, Japan

MỤC LỤC Trang Chương 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI 1 1.1 Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ

bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition)

1

1.1.4 Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ 5 1.1.5 Múc độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD 5 1.1.6 Phương pháp nào phủ tốt hơn, PVD hay CVD 5

Chương 2 - VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT BẰNG DAO PHAY PHỦ BAY HƠI

11

2.1.2 Sự tạo thành bề mặt và các dạng bề mặt gia công 13 2.1.3 Những hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt 14

2.1.5 Các thành phần của bề mặt bị cắt khi phay 21 2.1.6 Các thành phần lực cắt và công suất cắt khi phay 25 2.1.7 Phay bậc và phay rãnh bằng dao phay ngón 26 2.2 Ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến tương tác ma sát 27 2.2.1 Ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến tương tác ma sát trượt 27 2.2.2 Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại 29 2.2.3 Ảnh hưởng của tạp chất trong thép đến tương tác ma sát trong

cắt kim loại

30

2.3.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công cơ 34 2.3.4.1 Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá 35

2.3.4.3 Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 35 2.3.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ 40 2.3.5.1 Ảnh hưởng của thông số hình học của dụng cụ cắt 40

2.3.5.6 Ảnh hưởng của rung động hệ thống công nghệ 43

2.4.1.2 Ma sát trong quá trình cắt kim loại 44 2.4.1.3 Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ 45

2.4.2.2 Cơ chế mòn của hai bề mặt trượt tương đối 47 2.4.2.3 Vai trò của lớp phủ cứng trong giảm mòn 52

KHI GIA CÔNG THÉP SKD61

64

LỜI CAM ĐOAN

Tên em là: Trịnh Mạnh Hà Sinh ngày : 28 tháng 6 năm 1977

Học viên lớp CH-K9 chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Đơn vị công tác : Trường Trung học Kinh tế - Kỹ thuật Tuyên Quang

Em xin cam đoan : Đề tài "Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao

phay ngón phủ PVD-TiN khi gia công khuôn ép chịu áp lực SKD61" do thầy giáo

PGS.TS Phan Quang Thế hướng dẫn Đây là công trình của riêng em Tất cả tài

liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng

Em xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu cảu giáo viên hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2009

HỌC VIÊN

Trịnh Mạnh Hà

Chương 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI

1.1 Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition)

Sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới cho khả năng cắt với vận tốc cắt tới vài trăm m/phút cũng không làm mất đi vị trí quan trọng của thép gió trong cắt kim loại vì thép gió có tính ưu việt: Khả năng dễ gia công, tạo hình được các dụng cụ có hình dáng phức tạp, độ dai va đập cao (Khoảng 2,5 lần so với hợp kim cứng), độ cứng nóng đáp ứng được các chế độ công nghệ trung bình và thấp, giá thành thấp Thép gió được dùng làm dụng cụ cho các nguyên công như: Khoan, khoét, doa, phay rãnh…nói chung là các nguyên công gia công lần cuối Điều kiện thoát phoi và nhiệt ở đó thường khó khăn hơn so với tiện vì thế việc nâng cao chế độ công nghệ và tuổi bền cho dao thép gió bằng phủ có ý nghĩa vô cùng quan trọng để nâng cao năng suất và chất lượng gia công

Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ PVD Phủ CVD Không phủ

1.1.1 Khái niệm phủ PVD

Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC - 500oC Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ

PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió Do nhiệt độ tháp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thực hiện trước khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền

Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp Hơn 30 năm qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với hầu hết các ứng dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã được sử dụng rộng rãi nhất cho các công cụ cắt

Bảng 2: Các dạng phủ PVD

Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid được phân loại như phủ ngoài ma sát thấp Những công nghệ phủ này cung cấp một giải pháp gia công không thể thay thế được trong những vật liệu đòi hỏi tốc độ cắt thấp và độ mài mòn cao Phủ PVD là thành phần quan trọng của gia công tốc độ cao vì khi tốc độ cắt tăng lên, lượng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công sẽ tăng lên nhiều

Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hoàn thiện bề mặt tốt hơn, hình học chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất thông qua sự tăng tuổi thọ công cụ Điều này có thể được đánh giá theo hai cách:

1 Tăng tuổi thọ dao cụ dẫn đến chi phí gia công mỗi lỗ hổng hay lõi sẽ thấp hơn

2 Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất Điều này có thể sẽ giữ nguyên mức chi phí gia công nhưng sẽ tăng năng suất của xưởng sản xuất bằng cách tăng các thông số của chế độ cắt

Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia công hiệu quả hơn Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá trình sản xuất có thể giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai

Bảng 3: Khả năng gia công của vật liệu phủ

Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia công hiệu quả hơn Tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ được sinh ra Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này rất quan trọng để theo kịp các xu hướng sản xuất trong tương lai

Các nhà sản xuất hiện nay vẫn không ngừng tìm kiếm những biện pháp duy trì khả năng cạnh tranh trong một thị trường cạnh tranh cao đồng thời để tăng lợi nhuận Thường thì các nhà sản xuất phải đối mặt với việc mua thiết bị mới hay thuê thêm nhân viên để đạt được mục tiêu này Tuy nhiên, bằng cách phân tích quá trình gia công và ứng dụng một số công nghệ phủ ngoài hiện đại, các xưởng gia công có thể tìm ra một giải pháp chi phí thấp nhằm làm tăng năng suất, tăng lợi nhuận hay cả hai

1.1.2 Khái niệm phủ CVD

Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ các lớp mỏng ceramics như TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cương nhân tạo…với chiều dày 5 m ÷ 10 m Chi tiết phủ được đặt và nung nóng trong buồng kín chứa khí H2(dưới áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn) Các hợp chất bay hơi được đưa vào buồng này để tạo ra các thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học Nhiệt độ của quá trình từ 800o đến 1050o và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ

1.1.3 Tại sao phải sử dụng phủ PVD hoặc CVD

Chưa quan tâm tới các ứng dụng cụ thể, lý do chính để sử dụng PVD hoặc CVD hết sức đơn giản, đó là bài toán kinh tế: Làm giảm chi phí trên mỗi sản phẩm

Bài toán tiết kiệm chi phí được xác định dễ dàng như sau:

Giảm thời gian gia công, thời gian thay dụng cụ + Tăng tốc độ gia công = Tiết kiệm

1.1.4 Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ

Mặc dù mỗi phương pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánh giá hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trưng chính được chọn làm cơ sở, đó là: độ cứng và ma sát

Vật liệu Thép dụng cụ HSS Hợp kim cứng PVD & CVD Độ cứng (HRC) 58 - 62 62 - 65 70 - 76 > 80

Bảng 4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ

So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa là sẽ làm giảm áp lực tác dụng Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát sẽ làm giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm chậm quá trình phá hủy lưỡi cắt Còn trong các ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự bám dính của vật liệu cho phép quá trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn

1.1.5 Mức độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD

Theo các đánh giá sơ bộ, tuổi thọ dụng cụ khi phủ thường gấp từ 2 -3 lần so với khi không phủ Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, ứng dụng cụ thể còn cho thấy tuổi thọ có thế tăng gấp 10 lần

1.1.6 Phương pháp phủ nào tốt hơn, PVD hay CVD

Có nhiều vấn đề khác nhau cần phải tính toán khi trả lời câu hỏi này như ứng dụng, vật liệu nền và dung sai dụng cụ

Đơn giản là khi dung sai và vật liệu cho phép, CVD sẽ có ưu thế hơn trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các ứng dụng tạo hình biến dạng kim loại có ứng

suất cao Các quá trình phủ CVD tạo ra các liên kết kiểu khuếch tán giữa lớp phủ và nền, liên kết này lớn hơn nhiều so với liên kết được tạo ra trong PVD

Quá trình phủ CVD được thực hiện ở nhiệt độ cao, khoảng 800o

C đến 1050o Đặc điểm này có thể làm hạn chế cho việc phủ CVD trong một số trường hợp Quá trình phủ PVD thực hiện được trên một diện rộng hơn, với nhiều nền và ứng dụng khác nhau Đó là vì được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (400oC đến 500oC) với độ dày trung bình 2 - 5 m

Với đặc tính này thì rất lý tưởng cho việc phủ PVD cho các dụng cụ cắt thép gió (HSS), hợp kim cứng cũng như các chi tiết đòi hỏi dung sai chặt chẽ như các chi tiết khuôn mẫu Hơn nữa, nhiệt độ quá trình thấp nghĩa là sai lệch về điểm “0” sẽ được tiến hành trên hầu hết các vật liệu, miễn là nhiệt độ rút ra chính xác vẫn được duy trì

1.2 Ứng dụng phủ PVD:

Phủ PVD có 4 dạng cơ bản:

- Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp - Dòng điện tử có điện thế cao

- Hồ quang

- Phương pháp phát xạ từ lệch

Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ

Phương pháp dùng dòng điện tử có điện thế thấp như hình 3 (a) dùng để phủ TiN và TiCN sử dụng dòng điện tử 100V để bay hơi Ti Mức độ ion hoá của kim loại bay hơi và khí phản ứng cao, tuy nhiên hệ thống này chỉ phủ các chi tiết có kích thước không lớn Tốc độ phủ thấp

Các dụng cụ có kích thước lớn thường được phủ bằng dòng điện tử có điện thế cao như hình 3 (b) Tốc độ phủ cao, tuy nhiên điện thế 10000V làm giảm khả năng ion hoá của dòng kim loại bay hơi và phản ứng vì thế người ta sử dụng một hệ ba cực để tăng mức độ ion hoá cho hệ thống Hệ thống này chỉ phủ được TiN và TiCN

Hình 3: Sơ đồ 4 phương pháp phủ PVD cơ bản

(a) Dòng điện tử có điện thế thấp (b) Dòng điện tử có điện thế cao (c) Hồ quang

(d) Phát xạ từ lệch

Sơ đồ bay hơi bằng hồ quang được dùng để phủ TiAlN hình 3(c) Tuy nhiên hợp kim TiAl để bay hơi phải ở thể rắn nguyên khối Hệ thống này có thể tạo ra lớp phủ mỏng đến 2000A và tạo nên lớp khuếch tán giữa nền và lớp phủ Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là sự tạo thành các hạt Ti trên bề mặt lớp phủ, tuy nhiên nhược điểm này có thể khắc phục được nhờ lưới lọc

Phương pháp phát xạ từ lệch có thể tạo nên bất kỳ lớp phủ nào hình 3 (d) Các điện cực âm tạo nên một plasma của các ion khí trơ làm bật các nguyên tử của kim loại bay hơi ra khỏi bề mặt, tạo thành lớp phủ trên bề mặt chi tiết sau khi tác dụng với khí phản ứng Nam châm vòng ngoài của các điện cực âm phát xạ được chế tạo mạnh hơn (lệch) so với bên trong để tạo nên một plasma ở vùng chi tiết phủ

Phủ PVD đã mở rộng phạm vi sử dụng của thép gió Ví dụ: Dao phay lăn răng thép gió phủ PVD trong một số trường hợp tỏ ra tốt hơn dao gắn mảnh các bít

Hơn nữa phủ PVD còn có thể phủ được ở trạng thái không cân bằng nhiệt mà CVD không thể thực hiện được Ví dụ: Phủ hợp chất kim cương nhân tạo với các hạt các bít siêu nhỏ WC/C

Ưu điểm của phủ PVD là cơ sở cho việc phủ các lớp bôi trơn cùng với các lớp phủ cứng như MoS2 và WC/C Chẳng hạn các lưỡi cắt của mũi khoan cần được bảo vệ bằng các lớp phủ cứng nhưng các bề mặt rãnh thoát phoi cần được phủ bằng lớp giảm ma sát Điều này mở ra một triển vọng mới về ứng dụng của phủ PVD cho các dụng cụ ép, dập và các chi tiết máy chính xác

Hình 4: Hình ảnh một số thiết bị phủ và sơ đồ thiết bị phủ PVD

Hình 5: Các dụng cụ được ứng dụng phủ PVD

Bảng 5: Ứng dụng của phủ PVD

Bảng 6: Giới thiệu các dạng phủ PVD

Chương 2 - VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT BẰNG DAO PHAY PHỦ BAY HƠI

2.1 Quá trình phay và phay rãnh

2.1.1 Khái niệm chung

Quá trình cắt khi phay phức tạp hơn khi tiện Khi tiện, dao tiện dao luôn tiếp xúc với chi tiết và cắt phoi với tiết diện không thay đổi Trong tất cả các trường hợp phay, phoi được cắt rời từng mảnh có chiều dày thay đổi Ngoài ra khi phay, ở mỗi vòng quay của dao, mỗi răng của dao phay lúc vào chỉ tiếp xúc với chi tiết gia công còn lúc ra thì không tiếp xúc Lúc răng ăn vào chi tiết gia công có xảy ra hiện tượng va đập

Như vậy, điều kiện làm việc của dao phay nặng hơn rất nhiều so với điều kiện làm việc của dao tiện Cho nên cần phải biết các quy luật cơ bản của quá trình phay để trong trường hợp cụ thể khi điều kiện gia công tốt nhất thì đạt được năng suất cao nhất

Phay là một phương pháp gia công cắt gọt kim loại Đó là quá trình cắt đi một lớp kim loại (hay còn gọi là lượng dư gia công để tạo thành phoi) trên bề mặt của phôi để được chi tiết có hình dáng, kích thước, độ chính xác, độ bóng theo yêu cầu kỹ thuật trên bản vẽ Quá trình đó được thực hiện trên các máy phay (gọi chung là máy công cụ hay máy cắt kim loại) bằng các loại dao phay, mũi khoan…gọi chung là dụng cụ gia công cắt gọt

Phay là phương pháp gia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn cấp 3-4 và độ bóng không hơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công đạt năng suất cao nhất Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt phẳng, định hình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren, bánh răng…

Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độ bóng, độ chính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùng trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối Số lượng nguyên công gia công cắt gọt đạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyên công phay cũng chiếm một

tỷ lệ lớn Máy phay có số lượng nhiều, chiếm tỷ lệ lớn và giữ một vị trí quan trọng trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí

2.1.2 Sự tạo thành bề mặt và các dạng bề mặt gia công

Hình dạng bề mặt các chi tiết, dụng cụ gia công cơ khí rất đa dạng Khi một điểm chuyển động tạo thành một đường, khi một đoạn thẳng (gọi là đường sinh) chuyển động liên tục dựa trên một đường khác (gọi là đường chuẩn) tạo thành một mặt Đó là quỹ đạo của một điểm hay một đường

Hình 7: Quỹ đạo của một điểm (a) và một đoạn thẳng (b)

Hình 7 Giới thiệu một số ví dụ tạo hình các bề mặt điển hình: mặt phẳng, mặt nón, mặt trụ, mặt cầu, mặt thân khai, mặt khai triển…

Chuyển động tương đối giữa đường sinh và đường chuẩn gọi là chuyển động tạo hình bề mặt gia công, đó là chuyển động tương đối giữa dao và phôi để hình thành nên bề mặt gia công, chúng có thể là chuyển động đơn giản hoặc phức tạp theo các phương pháp chép hình, bao hình, quỹ tích (theo vết) và phương pháp tiếp xúc

Hình 8: Các dạng bề mặt chi tiết gia công 2.1.3 Những hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt:

Quá trình cắt kim loại khi phay về nguyên tắc không khác quá trình cắt khi tiện Ở đây tập trung nghiên cứu một số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt Lớp kim loại được cắt gọi là phoi, có thể có nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện gia công Theo giáo sư I A Timê thì phoi có các dạng sau đây: Phoi dây, phoi xếp và phoi vụn

A

A’

A’’ (a)

- Hiện tượng lẹo dao

Khi gia công vật liệu dẻo, trong một số trường hợp ở mặt trước của dao hình thành lẹo dao Đó là một mẩu vật liệu gia công có hình dạng chêm gắn chặt vào mặt trước của dao, nó bị biến dạng mạnh nên có độ cứng cao Mảnh kim loại này liên tục được tách ra cùng với phoi rồi lại được tạo thành Thực ra nó là phần cắt của dụng cụ và bảo vệ lưỡi cắt khỏi bị mòn Tuy vậy, nếu mặt trước của dao hình thành lẹo dao thì chất lượng bề mặt gia công sẽ giảm Vì thế khi gia công tinh cũng như khi cắt ren, lẹo dao là một hiện tượng xấu Để khử lẹo dao, cần phải mài bóng mặt trước của dao thật cẩn thận hoặc thay đổi tốc độ cắt (thường thường tăng tới 30m/phút hoặc cao hơn), đồng thời cũng có thể sử dụng dung dịch trơn nguội trong từng điều kiện gia công cụ thể

- Sự co rút phoi

Trong quá trình cắt phoi bị biến dạng và ngắn hơn so với phần chi tiết được cắt ra Hiện tượng phoi bị ngắn theo chiều dài được gọi là sự co rút của phoi theo chiều dài Thể tích của kim loại khi bị biến dạng thực tế không thay đổi Vì vậy, trong khi chiều dài của phoi giảm thì diện tích tiết diện ngang của phoi tăng Diện tích tiết diện ngang của phoi tăng được gọi là sự co rút của phoi theo chiều ngang

- Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt

Trong quá trình cắt chi tiết gia công, dụng cụ cắt và phoi bị nung nóng Khi tăng tốc độ cắt, đặc biệt là khi cắt các phoi mỏng, nhiệt độ trong vùng cắt sẽ tăng tới 600oC Nếu tốc độ cắt tiếp tục tăng, trong nhiều trường hợp phoi cắt sẽ bị nung nóng tới 900oC (màu đỏ sáng) Trong trường hợp này, trên bề mặt gia công của vật liệu thép có thể thấy nhiều màu sắc biến đổi chứng tỏ nhiệt độ ở lớp bề mặt của chi tiết trong thời gian tiếp xúc với mặt sau của dụng cụ lên rất cao Nhiệt độ ở vùng cắt tăng là do có hiện tượng cơ năng chuyển thành nhiệt năng trong quá trình cắt

Uxachôp đã chứng minh rằng, nhiệt độ ở phoi chiếm 60-80% toàn bộ nhiệt tạo thành khi cắt, ở dụng cụ 10-40%, còn ở chi tiết gia công 3-10%, nhiệt phân bố không đều trên cả phoi và dụng cụ cắt Ở dụng cụ cắt, khi làm việc liên tục thì nhiệt hầu như cố định sau mấy phút làm việc Thực tế thì nhiệt trong chi tiết được cân

bằng ngay sau khi gia công xong Nhiệt trong vùng cắt ảnh hưởng lớn tới toàn bộ quá trình cắt gọt và các hiện tượng sinh ra trong quá trình đó (như lẹo dao, mòn dao…) Vì thế hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt phải được chú ý thích đáng

Hình 9: Trường nhiệt độ trong dụng cụ gia công, phoi và vật liệu

Tạo phoi trong quá trình cắt và thoát phoi khỏi vùng cắt làm xuất hiện một hiện tượng nhiệt nhất định Nhiệt cắt xuất hiện bằng sự chuyển đổi từ công cắt, gần như tất cả công cần thiết trong quá cắt đều biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi và công kín (tổng của hai loại công này nhỏ, không vượt quá 5%) Trong trường hợp hệ thống công nghệ cứng vững thì công biến dạng đàn hồi và công kín cực đại là 2% của công cắt, phần còn lại chuyển thành nhiệt trong quá trình cắt

Các nghiên cứu cũng đã chứng tỏ rằng khoảng 97 - 98% công suất cắt biến thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (qua mặt trượt AB), mặt trước AC và mặt sau AD (nhiệt độ sinh ra tại vùng cắt có thể đến 13000C), thể hiện trên hình 9

Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường với tỷ lệ khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:

Q = Qmặt phẳng trượt + Qmặt trước + Qmặt sau

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì nhiệt lượng này sẽ truyền vào hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường theo công thức sau:

Q = Qdao + Qphoi + Qphôi + Qmt

Hình 10: Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong quá trình cắt

Biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, ma sát giữa vật liệu gia công với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở vùng gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá huỷ bộ phận đến hoàn toàn khả năng làm việc của lưỡi cắt Nhiệt cắt và nhiệt độ trong dụng cụ cắt tăng khi cắt với vận tốc cắt cao và lượng chạy dao lớn

Hình 11: Mối quan hệ giữa tốc độ cắt, lượng mòn mặt sau đến nhiệt độ trên mặt trước dụng cụ cắt

Nhiệt của phoi tại thời điểm cụ thể ở khoảng khắc tức thời có thể coi là kết quả tác động của hai nguồn: nguồn nhiệt trên mặt cắt (mặt trượt) biến dạng đàn hồi bậc nhất và nguồn ma sát trên mặt trước

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết của trường nhiệt độ khi gia công đã rút ra một số kết luận:

- Trường nhiệt độ khi gia công là không ổn định

- Nhiệt độ của môt điểm xác định (x, y, z) phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Tính chất vật lý của vật liệu dụng cụ và chi tiết

n = 63 vòng/phút s = 0,057mm/răng h = 3mm

n = 63 vòng/phút s = 0,112mm/răng h = 3mm

n = 90 vòng/phút s = 0,112mm/răng h = 3mm

Hình 12: Trường nhiệt độ chi tiết khi phay với các chế độ cắt khác nhau

Trên hình 12 là ảnh hưởng của chiều dày phoi (lượng chạy dao Sz) đến sự phân bố nhiệt độ trong chi tiết khi phay Khi tăng chiều dày thì tăng thì tăng nhiệt độ trung bình của chi tiết gia công và chiều sâu đẳng nhiệt với > 20oC dưới bề mặt cắt Trường hợp đặc biệt trường nhiệt độ ở chiều dày phoi cắt nhỏ, gần với lát cắt

(ăn khớp) tối thiểu, ngược lại khi giảm chiều dày thì dẫn đến tăng nhiệt độ của chi tiết gia công

Ở các loại dụng cụ làm việc không liên tục (khi phay) và khả năng dẫn nhiệt kém thì những sự va đập và sự chênh lệch nhiệt lớn có thể dẫn đến việc xuất hiện những vết nứt, rạn dụng cụ

n = 63vg/ph, s = 112mm/ph, h = 3mm n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 2mm

n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 1mm n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 3mm

Hình 13: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến trường nhiệt độ của dao phay

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trường nhiệt độ của dụng cụ không những cho biết một cách tổng quát về sự phân bố đẳng nhiệt ở lưỡi cắt mà còn có khả năng đánh giá ảnh hưởng của điều kiện cắt đến trường nhiệt độ của dụng cụ Trường nhiệt độ của dụng cụ, trước hết nhiệt độ của các lớp bề mặt mà chúng được xác định do tác động của phoi và bề mặt cắt, có ảnh hưởng đến khả năng tổng thể của dụng cụ chống lại mài mòn Tăng nhiệt độ của lớp bề mặt thì phần lớn có hậu quả là tăng cường độ biến cứng của tất cả các dạng mài mòn

Nhiệt độ của của các lớp bề mặt trước và sau có ảnh hưởng rõ nét đến trạng thái của những lớp bề mặt này, đến đặc tính của sự tác động tương hỗ của chúng với vật liệu của chi tiết gia công và đến cả bản chất và cường độ mài mòn dụng cụ Xét về

mặt mài mòn của dụng cụ thì chúng ta quan tâm đến nhiệt độ cực đại trên mặt trước và mặt sau và cả sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này

Ví dụ: xác định nhiệt độ trung bình của toàn bộ bề mặt tiếp xúc của dụng cụ với phoi và chi tiết gia công tức là của các phần hoạt động của mặt trước và mặt sau cùng đồng thời Đương nhiên nhiệt độ trung bình thấp hơn nhiệt độ cực đại trên lưỡi cắt nhưng nó có ưu điểm là có thể xác định một cách dễ dàng hơn

Từ quan điểm thực tiễn kỹ thuật thì nhiệt cắt trung bình các điểm tiếp xúc của vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ cắt là có ý nghĩa nhất Nhiệt độ này có ảnh hưởng quyết định đến tính chất cơ học và vật lý của các lớp bề mặt tiếp xúc, tức là ảnh hưởng đến quá trình mài mòn của dụng cụ Độ chính xác của chi tiết gia công bị ảnh hưởng bởi sự nung nóng nó trong quá trình cắt Độ nung nóng của chi tiết được đặc trưng bằng nhiệt độ trung bình

Dụng cụ bị mài mòn làm thay đổi hình học của phần cắt và làm cho nhiệt cắt thay đổi Sự thay đổi nhiệt cắt phụ thuộc và đặc tính mài mòn của dụng cụ cắt Khi tăng rãnh lõm trên mặt trước thì nhiệt độ tại điểm tiếp xúc trên mặt trước có phần giảm đi, bởi vì giảm góc cắt Đó là nguyên nhân dẫn tới chiều dày cắt trung bình có cả mòn mặt trước và mặt sau làm nhiệt cắt tăng dần với sự mài mòn lưỡi cắt nhưng tăng chậm hơn ở các loại phoi có chiều dày cắt nhỏ khi mài mòn chỉ diễn ra ở mặt sau

Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì thông thường nhiệt độ cắt giảm nhanh vì ngoài tác dụng làm nguội, dung dịch còn có tác dụng bôi trơn làm giảm ma sát trong quá trình cắt Hiệu quả làm nguội càng lớn thì nhiệt cắt càng giảm nhiều

Đặc thù của quá trình gia công cũng ảnh hưởng đến nhiệt cắt Ví dụ khoan lỗ sâu, tiện lỗ trong, tiện cắt đứt…thì nhiệt cắt sẽ lớn hơn Sử dụng dung dịch trơn nguội trong trường hợp này có hiệu quả lớn đến tuổi bền của dụng cụ

Trong nghiên cứu này tác giả không sử dụng dung dịch trơn nguội mà sử dụng luồng khí để thổi phoi khỏi cùng cắt, tạo điều kiện phoi thoát ra được dễ dàng, không ảnh hưởng đến dụng cụ gia công

2.1.4 Các chuyển động cơ bản khi phay

Chuyển động cơ bản là các chuyển động để thực hiện quá trình cắt gọt, hình thành các bề mặt chi tiết gia công, bao gồm:

- Chuyển động chính (chuyển động cắt): là chuyển động chủ yếu thực hiện quá trình cắt tạo ra phoi, ký hiệu là V hoặc n Chuyển động chính khi phay là chuyển động quay tròn của dao phay được truyền dẫn qua trục chính

- Chuyển động chạy dao S là chuyển động để thực hiện quá trình cắt tiếp tục và cắt hết chiều dài chi tiết Đó là chuyển động dọc, ngang hoặc thẳng đứng của bàn máy phay có gá phôi Chúng thường vuông góc với trục dao

2.1.5 Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay

Các thông số của yếu tố cắt và chế độ cắt khi phay bao gồm chiều sâu lớp cắt to, lượng chạy dao S, vận tốc cắt V, chiều sâu phay t, chiều rộng phay B, chiều dày cắt a Khi phay các yếu tố này ảnh hưởng đến tuổi bền của dao, chất lượng bề mặt gia công, công suất cắt và năng suất cắt

- Chiều sâu cắt to

Chiều sâu cắt là kích thước lớp kim loại được cắt đi ứng với một lần chuyển dao, đo theo phương vuông góc với bề mặt gia công (mm)

- Lượng chạy dao S

Được phân làm 3 loại:

+ Lượng chạy dao răng Sz: là lượng dịch chuyển của bàn máy (mang chi tiết gia công) sau khi dao quay được một góc răng (mm/răng)

+ Lượng chạy dao vòng Sv: là lượng dịch chuyển của bàn máy khi dao quay được một vòng (mm/vòng) Sv = Sz.Z

+ Lượng chạy dao phút Sph: là lượng dịch chuyển của bàn máy sau thời gian 1phút (mm/phút) Sph = Sz.Zn

- Tốc độ cắt

Tốc độ cắt khi phay được biểu diễn:

V

Thực tế giá trị Vs rất nhỏ so với Vn khi tính toán chế độ cắt người ta thường bỏ qua lượng Vs, khi đó công thức 2-1 có dạng:

Vc = Vn = D.n/1000 (m/phút)

Và quỹ đạo của lưỡi cắt là vòng tròn có phương trình sau: x = RSin

y = R(1 - cos )

- Chiều sâu phay t

Chiều sâu phay là kích thước lớp kim loại được cắt đi, đo theo phương vuông góc với trục của dao phay ứng với góc tiếp xúc

Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều sâu phay bằng đường kính dao, khi phay bề mặt vuông góc thì chiều sâu phay bằng chiều sâu cắt to

- Chiều rộng phay B

Chiều rộng phay là kích thước lớp kim loại được cắt theo phương chiều trục của dao phay Khi phay bằng dao phay ngón thì chiều rộng phay bằng chiều sâu rãnh, khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu thì chiều rộng phay bằng chiều sâu cắt to (B = to)

- Góc tiếp xúc

Là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc t giữa dao và chi tiết

Khi phay bằng dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa và dao phay định hình góc tiếp xúc được tính theo công thức sau:

Cos = 1 - 2t/D hay Sin =

(2-2)

Hình 14: Góc tiếp xúc khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón

Khi phay đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì: Sin

2 =

(2-4) Khi phay không đối xứng bằng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón thì:

=

2 +

Sin =

Ở trên ta coi gần đúng quỹ đạo chuyển động tương đối của lưỡi cắt là đường tròn, do đó chiều dày cắt a được đo theo phương đường kính của dao Trong qúa trình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số amin đến amax hoặc từ amax đến amin tuỳ theo phương pháp phay

Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu:

Hình 16: Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu

Từ hình 16 cho sơ đồ tính toán chiều dày cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu Sau khi bàn máy dịch chuyển một đoạn Sz thì quỹ đạo của lưỡi cắt dịch chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 2 và lưỡi dao cắt một lớp kim loại có chiều dày là aM thay đổi phụ thuộc vào vị trí của điểm M (nghĩa là phụ thuộc vào vị trí của góc )

- Chiều rộng của lớp cắt khi phay

Khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón, chiều rộng lớp cắt giống như khi tiện là một lượng không đổi

(2-11)

Đối với dao phay trụ răng thẳng thì b = B

- Diện tích cắt khi phay

Diện tích cắt do n răng đồng thời tham gia cắt là: F = SzB

Từ công thức (2-12), ta thấy diện tích cắt là một lượng thay đổi Diện tích cắt thay đổi làm cho lực cắt thay đổi trong giới hạn Fmax và Fmin Song trong thực tế không phải bao giờ ta cũng cần đến lực cắt tức thời mà nhiều lúc phải tính lực cắt trung bình Do đó ta cần xác định diện tích cắt trung bình:

Từ công thức n = Z

360 ta có atb =

(mm)

Từ atb =

ta có n = Z

360 và b = B Thay thế các đại lượng trên vào (2-13) ta có:

Ftb =

(2-14)

2.1.6 Các thành phần lực cắt và công suất cắt khi phay

- Lực cắt tổng R tác dụng lên một răng dao phay cũng như lực cắt khi tiện có thể được phân thành những lực thành phần theo các phương xác định

Khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng ta có:

Pd: thành phần lực thẳng đứng, tuỳ theo phay thuận hay nghịch mà nó tác dụng đè chi tiết xuống hay nâng chi tiết lên

Ta có quan hệ sau:

P = P sin Pcos (dấu + khi phay thuận và ngược lại) (2-15)

Pn là thành phần lực nằm ngang hay là lực chạy dao vì nó có phương trùng với phương chạy dao Tuỳ theo phay thuận hay phay nghịch mà nó có tác dụng làm tăng hay giảm độ dơ cơ cấu truyền động chạy dao Tính toán cơ cấu chạy dao cũng như đồ gá kẹp chi tiết ta có:

Pd = Pzcos i Prsin i (dấu + khi phay nghịch và ngược lại) (2-16) - Công suất cắt hiệu dụng Ne: là công suất cần thiết để thực hiện quá trình cắt gọt (không kể hệ số có ích của máy) Nó bằng tích giữa lực Pz và tốc độ cắt v

Trong trường hợp này công thức để tính công suất có dạng:

Dựa theo lực Pz, ta xác định mômen xoắn M:

2.1.7 Phay bậc và phay rãnh bằng dao phay ngón

Bậc và rãnh được gia công bằng dao phay ngón trên các máy phay ngang và máy phay đứng Dao phay ngón được chế tạo với răng trung bình và răng lớn Dao phay răng trung bình để gia công tinh và bán tinh, còn dao phay răng lớn dùng gia công thô

Hình 17: Phay lỗ chữ nhật trên phôi hộp, phay bậc bằng dao phay ngón

Độ chính xác của rãnh theo chiều rộng khi gia công bằng dao định kích thước (phay đĩa và dao phay ngón) phụ thuộc vào độ chính xác của dao, độ chính xác và độ cứng vững của máy, độ đảo của dao khi kẹp trên trục chính Nhược điểm của dao định kích thước là kích thước giảm khi dao bị mòn và sau khi mài sắc lại

Để đạt kích thước chính xác theo chiều rộng của rãnh có thể phay làm hai bước: thô và tinh Khi phay tinh, dao phay chỉ cắt rãnh theo chiều rộng và như vậy kích thước đảm bảo trong thời gian dài