Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt, góc nghiêng của bề mặt gia công đến tuổi bền của dao phay đầu cầu phủ TiAlN khi gia công khuôn thép CR12MOV qua tôi

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt, góc nghiêng của bề mặt gia công đến tuổi bền của dao phay đầu cầu phủ TiAlN khi gia công khuôn thép CR12MOV qua tôi

BÙI ĐỨC HÙNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT, GÓC GHIÊNG CỦA BỀ MẶT GIA CÔNG ĐẾN TUỔI BỀN CỦA DAO PHAY ĐẦU CẦU PHỦ TIAIN KHI GIA CÔNG KHUÔN

THÉP R12MOV QUA TÔI

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên – 2009

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT, GÓC GHIÊNG CỦA BỀ MẶT GIA CÔNG ĐẾN TUỔI BỀN CỦA DAO PHAY ĐẦU CẦU PHỦ TIAIN KHI GIA CÔNG KHUÔN

THÉP R12MOV QUA TÔI

NGƯỜI HD KHOA HỌC : PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN HỌC VIÊN : BÙI ĐỨC HÙNG

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 6 Phương pháp nghiên cứu

15

15

1.3 Các yếu tố cắt của dao phay cầu 1.3.1 Chiều sâu cắt ap

1.3.6 Chiều rộng cắt 31 1.3.7 Sự hình thành phoi và thông số hình học của phoi khi phay bằng dao

2.3.4 Cách xác định mòn dụng cụ cắt 50

2.3.6 Mòn của dao phay cầu phủ 2.4 Tuổi bền dụng cụ cắt

2.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt

3.3.4.2 Dao 69

3.4.3.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa v, s và tuổi bền dao khi t = 0,5 mm 77

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP

19

11 Hình 1.11 Vị trí lực cắt tác dụng vào dao

27

34

Hình dạng - kích thước chế tạo của dao phay cầu phủ ký kiệu BZD25G hãng Missubishi - Nhật Bản [6]

35

Hình dạng - kích thước chế tạo của thân dao ký hiệu SRFHSMW, SRFHSLW và mảnh ghép ký hiệu SRFT vật liệu VP10MF, VP15TF của dao một mảnh cắt hãng Mitssubishi - Nhật Bản [7]

27 Hình 2.3 Hình 2.4

Quan hệ tuổi bền của dao thép gió phủ PVD theo

CR12MOV qua tôi đạt độ cứng 40 – 45 HRC khi chiều sâu cắt không đổi t = 0,5 mm

47 Hình 3.6.b Hình ảnh mặt sau của dao sau 9,2 phút khi gia

PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Phay cứng là gia công các chi tiết đã qua tôi (thường là thép hợp kim) có độ

cứng cao khoảng 40 ÷ 45 HRC Đây là chi tiết làm việc trong điều kiện chịu ma sát, chịu mài mòn cao Phương pháp này có thể sử dụng để thay thế một số phương pháp gia công khác như mài, gia công bằng xung điện Khi chi tiết có hình dạng tương đối phức tạp Phay cứng cho năng xuất cao hơn với vốn đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều, vật liệu thường sử dụng làm dao phay cứng là các vật liệu phun phủ như: TiN, TiAlN, CBN với vật liệu nền là thép gió hoặc hợp kim cứng để làm tăng khả năng cắt gọt của chúng, được nghiên cứu và chế tạo nhiều chủng loại dụng cụ cắt có nhiều tính năng ưu việt góp phần nâng cao năng xuất cắt gọt Với những dụng cụ cắt có kết cấu phức tạp, việc chế tạo khó khăn thì ứng dụng đó là một trong những giải pháp mang tính đột phá Dao phay đầu cầu phủ TiAlN là một loại dụng cụ như vậy

Ngày nay nền kinh tế đang trên đà tăng trưởng mạnh Hệ thống các máy công cụ CNC đã góp phần tạo nên sự linh hoạt và hiệu quả trong lĩnh vực cơ khí chế tạo Trong việc chế tạo khuôn thì thép hợp kim CR12MOV là những loại vật liệu thường dùng Thực tế việc gia công thép hợp kim CR12MOV qua tôi cứng bằng dao phay đầu cầu phủ TiAlN là một giải pháp đang được rất nhiều nhà máy, cơ sở sản xuất áp dụng để gia công nhiều dạng bề mặt phức tạp trên các loại khuôn dập, khuôn ép nhựa trước đây những bề mặt phức tạp này được gia công bằng các phương pháp không truyền thống như là: Gia công bằng điện hoá, gia công bằng xung điện, gia công bằng siêu âm nhưng những phương pháp này có một số nhược điểm:

- Giá thành đầu tư cao - Năng suất gia công thấp

Vì vậy sử dụng dao phay cầu để gia công tinh khuôn thép CR12MOV qua tôi là một giải pháp tối ưu Nhưng quá trình cắt bằng dao phay cầu có cơ chế gia công rất phức tạp trên các cung nối tiếp vì lưỡi cắt của dao phay cầu được bố trí trên mặt

cầu Trong đó có thể nhận thấy rằng trên toàn bộ biên dạng lưỡi cắt có điều kiện cắt gọt, cơ chế cắt gọt ở các vị trí trên lưỡi cắt cũng khác nhau Các vị trí đó phụ thuộc

cắt khác nhau Hiện nay dao phay cầu đã được một số nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm nhằm nâng cao khả năng sử dụng của dao phay cầu như: Nghiên cứu ảnh hưởng bước tiến đến sự hình thành phoi của dao phay cầu gia công trên máy phay CNC [7] Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng đến chất lượng bề mặt khi gia công bằng dao phay cầu [8] Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học của dao phay cầu đến độ nhám bề mặt khi gia công thép [9] Nghiên cứu ảnh hưởng của lực cắt đến tuổi bền của dao phay cầu phủ TiN khi gia công thép CR12MOV [10] Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến tuổi bền của dao phay cầu phủ TiAlN khi gia công thép CR12MOV [11]

Tuy nhiên ảnh hưởng chế độ cắt và góc nghiêng của phôi đến tuổi bền của dao phay cầu phủ TiAlN khi gia công vật liệu CR12MOV qua tôi chưa có tài liệu nói đến Vì vậy, một trong nhưng vấn đề cần được nghiên cứu để có thể khai thác hiệu quả hơn nữa việc sử dụng dao phay đầu cầu phủ TiAlN khi gia công thép hợp kim

CR12MOV đó là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt, góc nghiêng của bề mặt gia công đến tuổi bền của dao phay đầu cầu phủ TiAlN khi gia công khuôn thép CR12MOV qua tôi” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục đích nghiên cứu

Đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt và góc nghiêng của phôi đến tuổi bền của dao phay cầu phủ TiAlN khi gia công thép hợp kim CR12MOV qua tôi Trên cơ sở

3 Đối tượng nghiên cứu

Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt và góc nghiêng của phôi đến tuổi bền của dao phay cầu phủ TiAlN

Vật liệu gia công là thép hợp kim CR12MOV

Dao phay đầu cầu Ø10 phủ TiAlN hãng MITSUBISHI - Nhật Bản

Bề mặt gia công là mặt định hình

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu bằng thực nghiệm 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Xây dựng được quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt, góc nghiêng của phôi với tuổi bền của dao phay cầu phủ TiAlN khi cắt trên toàn biên dạng dao để gia công thép hợp kim CR12MOV qua tôi đạt độ cứng 40 ÷ 45 HRC dưới dạng các hàm thực nghiệm Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học cho việc tối ưu quá trình phay Đồng thời cũng góp phần đánh giá khả năng cắt của mảnh dao phay cầu phủ TiAlN khi gia công thép hợp kim CR12MOV qua tôi đạt độ cứng 40 ÷ 45 HRC

5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể dùng làm cơ sở cho việc lựa chọn bộ

thông số v, θy với t = 0,5 mm và s = 0.2 mm/răng khi gia công thép hợp kim CR12MOV qua tôi đạt độ cứng 40 ÷ 45 HRC bằng dao phay cầu phủ TiAlN trong những điều kiện gia công cụ thể

6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu bằng thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ PHAY BẰNG DAO PHAY CẦU

1.1 Ứng dụng của dao phay cầu

Bề mặt của khuôn mẫu thường là những mặt cong phức tạp Bề mặt gia công không những là bề mặt phức tạp mà những bề mặt này còn làm bằng vật liệu khó gia công như thép hợp kim có độ bền cao, thép chịu nhiệt, thép không gỉ, thép đã tôi Hiện nay, việc gia công những bề mặt phức tạp này có một số phương pháp như: Gia công bằng siêu âm (hình 1.1), gia công bằng điện hoá (hình 1.2), gia công bằng xung điện (hình 1.3) [11] Những phương pháp gia công này tồn tại một số nhược điểm như:

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý gia công bằng siêu âm

Rung động siêu âm Tải trọng

tĩnh

Hạt mài

Phôi Dụng cụ

Dung dịch sệt chứa hạt

mài

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý gia công bằng điện hoá

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý gia công bằng xung điện

- Giá thành đầu tư cao

- Năng suất gia công thấp dẫn đến giá thành của chi tiết gia công cao Dung dịch

điện môi

Dung dịch bị ôxy hoá

Phôi (anốt)

Hình 1.4 Phương dịch chuyển dao khi phay mặt cong bằng dao phay cầu

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và lĩnh vực dụng cụ cắt kim loại nói riêng Xuất hiện nhiều loại vật liệu dụng cụ cắt mới và khả năng ứng dụng của chúng trên các máy công cụ CNC đã ngày càng được khẳng định Đặc biệt hơn là khả năng gia công với độ chính xác, năng xuất cao và ngày càng được cải thiện Song song với sự phát triển đó là một lĩnh vực không thể tách rời Đó là lĩnh vực dụng cụ cắt trên máy CNC để có thể đáp ứng những yêu cầu cao hơn như: Khả năng nâng cao năng suất và chất lượng gia công, tuổi bền cao và ổn định với chế độ cắt lựa chọn Sự đa dạng của dụng cụ cắt về chủng loại, kết cấu và hơn nữa là sự xuất hiện của nhiều loại dụng cụ cắt với vật liệu cắt có khả năng cắt với tốc độ cao, chất lượng và hiệu quả gia công cao hơn đã góp phần tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành cơ khí

Hình 1.5 Gia công khuôn mẫu bằng dao phay cầu trên máy CNC

Việc chế tạo ra Dao phay cầu, đặc biệt là sử dụng Dao phay cầu phủ các vật liệu CBN, TiAlN, TiN trên các máy CNC nhiều trục cho phép gia công các bề mặt phức tạp, với năng suất gia công cao hơn rất nhiều so với các phương pháp gia công không truyền thống Quá trình cắt bằng dao phay cầu có cơ chế gia công rất phức tạp vì lưỡi cắt của dao phay được bố trí trên mặt cầu Khi gia công bề mặt phức tạp bằng dao phay cầu, bề mặt gia công được hình thành như ở hình 1.4 Dao phay được quay với tốc độ của trục chính là n, chuyển động tiến của dao có thể được thực hiện theo hai trục liên tục với lượng chạy dao và một trục gián đoạn, có thể thực hiện theo ba trục Nhưng lưỡi cắt của dao được xác định trên chỏm cầu vì thế trên bề mặt gia công sẽ còn một dải kim loại không cắt được tạo nên giữa hai đường chuyển dao (hình 1.6)

1.2 Sự hình thành bề mặt gia công và thông số hình học của dao phay cầu 1.2.1 Sự hình thành bề mặt gia công

Khi phay bằng dao phay cầu trên máy phay CNC quá trình cắt diễn ra là rất phức tạp và khó khăn việc xác định được mô hinh cắt gọt rất cần thiết Vì vậy để thể hiện rõ các bề mặt được hình thành người ta xây dựng trên mô hình 3D-CAD Quá trình cắt khi gia công bề mặt cong góc nghiêng của phôi thay đổi và chiều rộng của lưỡi cắt cũng thay đổi theo Một trong những nhược điểm khi gia công bằng dao phay cầu đó là nhám bề mặt lớn Bởi vì ngoài việc chịu ảnh hưởng của những yếu tố: Như độ cứng vững của hệ thống công nghệ, quá trình mòn của dao….độ nhám bề mặt chi tiết gia công còn phụ thuộc vào chiều cao phần kim loại bị bỏ lại sau mỗi

(hình 1.7)

Hình 1.6 Phay mặt cong phức tạp bằng dao phay cầu

Bằng phương pháp phân tích hình học 2 đường chuyển dao liên tiếp với lượng dịch chuyển là ae khi gia công mặt phẳng có thể biết được giá trị của hth như (hình 1.7)

Hình 1.7 Sự hình thành bề mặt khi gia công bằng dao phay cầu

Dao phay cầuBề mặt chưa gia công

Khi đó đường kính của dao phay sẽ thay đổi trong quá trình làm việc tại các vị trí cắt diện tích lớp phoi sẽ thay đổi phụ thuộc vào đường kính, góc nghiêng phôi và bước tiến của dao

Đường kính gia công của dao được tính theo công thức:

24R2 a2e

1.2.2 Các bề mặt hình thành trên phần cắt của dao phay cầu

Hiện nay có rất nhiều loại dụng cụ cắt Chúng có hình dáng kết cấu khác nhau Nhưng nói chung kết cấu phần cắt của chúng đều được hình thành theo những quy luật chung Có thể nói bất kỳ dụng cụ cắt có kết cấu phức tạp đến mức độ nào phần cắt của chúng cũng đều có kết cấu cơ bản giống như dao tiện ngoài Mỗi răng của chúng được coi như một con dao tiện ngoài Đối với dao phay cầu lưỡi cắt cũng được hình thành bởi mặt trước và mặt sau của dao như hình vẽ 1.8 [12]

Hình 1.8 Các bề mặt được hình thành trên phần cắt của dao phay cầu

Góc trước và góc sau của dao phay cầu phủ thường được chọn như sau: [5]  = 0o 5o;  = 3o7o

Hình 1.9 Thông số hình học cơ bản của dao phay cầu

Lưỡi cắt

Mặt sau Lưỡi cắt

Mặt trước Mặt sau

1.3 Các yếu tố cắt của dao phay cầu 1.3.1 Chiều sâu cắt ap

Là khoảng cách giữa bề mặt đã gia công với bề mặt chưa gia công đo theo phương vuông góc với bề mặt đã gia công sau một lát cắt

Trong đó:

De là đường kính gia công ứng với chiều sâu cắt ap ap là chiều sâu cắt

D là đường kính của dao

Tuỳ thuộc vào vị trí của phần lưỡi cắt của dao tham ra vào quá trình cắt gọt mà vận tốc được xác định tương ứng như hình 1.10

 Với kiểu cắt dùng lưỡi

cắt bên để cắt, tính toán tốc độ cắt ở điểm P ta có:

V =

D là đường kính của dao (mm)

Hình 1.10 Thông số tính vận tốc cắt của dao phay cầu

n là số vòng quay của dao (vòng/ph)  = cos-1 ( 2 )

DaD  p

 Với kiểu cắt dùng đỉnh dao cắt, tính toán chế độ cắt cho điểm Q ta có: V =

bề mặt tối ưu, tuổi thọ dụng cụ lớn nhất

1.3.4.Ảnh hưởng góc nghiêng θy của phôi đến điều kiện cắt gọt của dao phay cầu

Góc nghiêng của phôi ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi bền của dao phay cầu khi gia công các bề mặt phức tạp vị trí của điểm bắt đầu vào cắt cũng đóng một vai trò rất quan trọng bởi vì khi đầu dao tiến vào cắt tiếp xúc với bề mặt nghiêng của phôi lực cắt tăng lớn nhất dẫn đến chất lượng bề mặt tại vị trí đó giảm

Dao phay cầu được dùng để gia công các bề mặt cong phức tạp Quá trình cắt gọt của phần bán cầu trên dao là rất phức tạp Bởi vì lưỡi cắt được xác định trên mặt cầu Khi gia công bề mặt cong thì tuổi thọ của dao phụ thuộc vào dạng của bề mặt (vì dạng của bề mặt sẽ quyết định vị trí tham ra cắt thực – nơi xẩy ra quá trình phá huỷ) Khi xem xét khả năng cắt của phần đầu cầu trên dao có thể nhận thấy rằng vị trí đỉnh dao là nơi quá trình cắt diễn ra rất phức tạp, là nơi quá trình mòn dao diễn ra nhanh nhất, là vùng có tuổi bền thấp nhất Chính vì vậy mà trong quá trình gia công người ta cần hạn chế đến mức cao nhất sự của khu vực này vào quá trình cắt gọt

Hình 1.11 Vị trí lực cắt tác dụng vào dao

Dao cắt Lưỡi cắt

Lưỡi cắt

Mặt cơ sở

Phôi

Như trên đã nói, đoạn lưỡi cắt của dao phay cầu tham gia cắt phụ thuộc vào vị trí tương quan giữa trục dao và bề mặt gia công Để xác định điều kiện tránh cắt ở đỉnh dao, bằng phương pháp phân tích hình học khi xem xét trường hợp dao gia công mặt nghiêng như sơ đồ cắt hình 1.12 Theo sơ đồ này vị trí của dao phay được xác định trong hệ toạ đề các theo tiêu chuẩn ISO R-841-1968 đối với máy phay CNC, gốc toạ độ là tâm của chỏm cầu Vị trí tương quan giữa dao và phôi được xác định thông qua góc nghiêng y là góc hợp bởi bề mặt pháp tuyến với bề mặt gia công và trục dao phay (quay quanh trục Y)

(1 - 6)

RaR e

(1 - 7)

Ngược lại dao sẽ cắt ở đỉnh nếu:

RaR e

a) Chuyển dao từ dưới lên b) Chuyển dao từ trên xuống

Sự thay đổi giá trị của góc θy sẽ dẫn đến hình dạng và kích thước của phoi thay

Ddao = 4mm fz = 0,1mm/răng nhưng thay đổi giá trị góc θy (0o, 15o, 30o, 45o, 60o,

[7]

quá giá trị 60o ÷ 70o thì hệ số co rút phoi tăng lên vì chiều dày của lưỡi cắt tham gia làm việc tăng lên Ngoài ra chiều dày cắt lúc này thay đổi dọc theo đoạn cong của lưỡi cắt và có giá tri nhỏ hơn chiều dày cắt so với lưỡi cắt là thẳng do đó phoi sẽ biến dạng nhiều hơn được thể hiện dưới hình vẽ sau:

Hình 1.13 (a) Hình chiếu bằng của phoi khi dao tiến lên với một số giá trị θy (0o, 15o, 30o, 45o, 60o, 75o)

Lƣỡi cắt Bán kính

dao Phoi

quay của dao

Hình 1.13 (b) Hình chiếu bằng của phoi khi dao tiến xuống với một số giá trị θy (0o, 15o, 30o, 45o, 60o, 75o)

Từ hình vẽ trên càng khẳng định rằng sự thay đổi tốc cắt dẫn đến tuổi bền của dao thay đổi phụ thuộc vào góc nghiêng θy của phôi.Như vậy góc nghiêng θy ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành phoi và tuổi bền của dao, đỉnh dao là nơi quá trình cắt gọt diễn ra khó khăn, nặng nhọc nhất và đây là nơi tuổi bền thấp nhất Nhưng trong thực tế thì không thể tránh hoàn toàn được việc đỉnh dao tham ra vào quá trình cắt gọt Do kết cấu của chi tiết gia công có thể có phần chuyển tiếp (đáy khuôn, đáy hốc…) Vì thế việc khảo sát tuổi thọ của dao theo góc nghiêng của phôi để xác chế độ cắt hợp lí cũng là một nhiệm vụ cần thiết khi nghiên cứu tuổi thọ của dao phay cầu

Như vậy có thể kết luận rằng bề mặt gia công nghiêng cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của dao

1.3.5 Chiều dày cắt

Lƣỡi cắt Bán kính

dao

quay của dao

Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay cầu là khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp của quỹ đạo chuyển động cắt tương đối của một điểm trên lưỡi cắt đo theo

chuyển động cắt tương đối là đường tròn nên chiều chiều dày cắt khi phay được đo theo phương hướng kính của dao

Hình 1.14 Biểu diễn lớp cắt sau mỗi lần chạy dao

1.3.6 Chiều rộng cắt

Chiều rộng cắt là khoảng cách giữa bề mặt chưa gia công với bề mặt đã gia công đo theo lưỡi cắt Chiều rộng cắt chính là chiều dài của đoạn lưỡi cắt tham gia cắt hay là chiều dài đoạn tiếp xúc giữa lưỡi cắt với bề mặt đang gia công

Mặt cắt A-A

Trên hình vẽ thể hiện chiều rộng phay bằng dao phay cầu chính là chiều dài cung BD

Hình vẽ thể hiện trường hợp gia công mặt phẳng bằng dao phay cầu với đường kính D (mm), chiều sâu cắt dọc trục ap

dịch dao ngang ae Xét sự hình thành phoi ở đường cắt thứ 2: Mảnh phoi sẽ được tạo

Biên dạng phoi Phôi

nd Hướng tiến dao

ra sau khi lưỡi cắt của dao quay được một

góc  và tiến đựơc một lượng fz (mm)

đó cũng là một trong những yếu tố quyết định thông số hình học của phoi Từ phân tích trên nếu như coi phoi không có biến dạng thì thông số hình học của phoi được thể hiện trên hình 1.17

Hình 1.16 Cơ chế tạo phoi

Điểm mũi dao Mặt phẳng

Mặt cầu

Mặt Trụ

Hình 1.17 Thông số hình học của phoi khi phay bằng dao phay cầu (không biến dạng)

Hình 1.18 Tiết diện của phoi phụ thuộc vào góc 

Hình 1.19 Hình ảnh của phoi khi không có biến dạng

Từ các hình ảnh của phoi chúng ta nhận thấy biên dang phoi ở vị trí góc nghiêng phôi khác nhau có tiết diện khác nhau Có thể khẳng định rằng với góc nghiêng nhỏ quá trình cắt gọt khó khăn dẫn đến tuổi bền của dao giảm Để làm sáng tỏ điều này khi làm thí nghiệm tác giả cho biến là góc nghiêng phôi thay đổi và đưa ra được thông số công nghệ với chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy CNC

1.4 Các dạng dao phay cầu 1.4.1 Dao phay cầu liền khối

khối Để thuận lợi cho việc chế tạo và hạ giá thành của dao, với dạng dao này thì kết cấu đầu dao về cơ bản là giống nhau còn phần thân dao được chế tạo với kết cấu phù hợp với mục đích sử dụng

1.4.2 Dao phay cầu liền khối không phủ

Thực tế dao phay cầu liền khối không phủ được các hãng sản xuất chế tạo bằng những chủng loại vật liệu làm dao phổ biến như thép gió thường, thép gió chịu nhiệt, hợp him cứng….để gia công những chi tiết được làm từ những loại vật liệu có

độ cứng thấp như đồng, thép chưa tôi, nhôm hợp kim… hoặc được làm từ vật liệu phi kim loại như nhựa cứng, gỗ…

1.4.3 Dao phay cầu liền khối phủ

Có thể nhận thấy rằng dao phay cầu liền khối không phủ vẫn còn có những hạn chế như chỉ gia công được những vật liệu có độ cứng thấp, tuổi bền của dao ngắn, năng suất gia công thấp,… Nhưng khi những dụng cụ này được phủ CBN, TiAlN, TiN thì chúng có nhiều ưu điểm hơn so với dao phay cầu liền khối không phủ thông thường đó là:

 Tuổi thọ cao hơn  Cải tiến được độ bền

 Cải tiến được cơ chế thoát phoi  Ngăn chặn vỡ dao

 Làm chậm quá trình mòn dao  Tăng tính chịu nhiệt

 Tăng độ chính xác và độ bóng của chi tiết gia công

Hình 1.20 Hình dạng - kích thước chế tạo của dao phay cầu phủ ký kiệu BZD25G hãng Missubishi - Nhật Bản [6]

1.4.4 Dao cầu ghép mảnh

Một trong những dạng hỏng chủ yếu của dao cầu khi gia công là mòn, vỡ lưỡi dao, mẻ dao… Nếu như gia công theo chế độ cắt hợp lý thì có thể khẳng định rằng đa phần là dao bị hỏng do mòn, mẻ Vì vậy để nâng cao hiệu quả sử dụng người ta

chế tạo dao phay cầu ghép mảnh Ưu điểm của dao phay cầu ghép mảnh là phần cán dao cố định còn phần lưỡi cắt sẽ được thay thế khi mòn, hỏng,… Nhưng hạn chế của giải pháp này là khó áp dụng đối với dao có đường kính nhỏ Hầu hết các mảnh dao cầu đều được làm từ những vật liệu có tính năng cắt tốt, hoặc được phủ để tăng tuổi bền và khả năng cắt gọt

Thân dao ngoài việc được chế tạo bằng những loại vật liệu có độ bền cao chúng còn được tăng bền như thấm Nitơ, phủ TiN, TiAlN… để tăng tuổi thọ của cán dao

Dao ghép mảnh có thể được phân ra:

 Dao ghép một mảnh cắt, dạng dao này thường chỉ có lưỡi cắt trên phần cầu như (hình 1.21)

Hình 1.21 Hình dạng - kích thước chế tạo của thân dao ký hiệu SRFHSMW, SRFHSLW và mảnh ghép ký hiệu SRFT vật liệu VP10MF, VP15TF của dao một

mảnh cắt hãng Mitssubishi - Nhật Bản [7]

1.5 Kết luận chương 1

 Dao phay cầu là một dụng cắt có tính ứng dụng cao trong việc gia công các mặt cong phức tạp trên máy phay CNC

 Khi gia công bằng dao phay cầu giữa hai đường chuyển dao cũng còn lại một lượng kim loại với chiều cao hth theo công thức (1 - 2)

 Hiện tại các hãng chế tạo dao trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo nhiều chủng loại dao phay cầu đa dạng cả về kết cấu và vật liệu vùng cắt Dao phay cầu ghép mảnh phủ đang là một giải pháp có nhiều ưu điểm trong việc gia công Đặc biệt là trong sản xuất linh hoạt

 Cơ chế cắt gọt của dao cầu là rất phức tạp

 Vận tốc cắt phụ thuộc vào vị trí từng điểm cắt của lưỡi cắt

 Thông số hình học của phoi phụ thuộc vào nhiều yếu tố (θy , ae, ap, De, fz, ψ)

 Trong quá trình cắt gọt, tuỳ theo vị trí cắt Sự phân bố tải trọng dọc theo lưỡi cắt của dao phay cầu là khác nhau

 Để tránh hiện tượng cắt ở đỉnh dao thì góc nghiêng của phôi phải thoả mãn công thức (1- 3) và (1 - 4) Nhưng trong thực tế nhiều trường hợp không thể tránh được hiện tượng đỉnh dao tham gia vào quá trình cắt gọt

 Tuổi bền của dao phay cầu phụ thuộc vào góc nghiêng của phôi

CHƯƠNG 2: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT GỌT BẰNG DỤNG CỤ PHỦ

2.1 Đặc điểm của dụng cụ cắt phủ

cụ cắt thông thường như thép gió hoặc hợp kim cứng, hiện nay người ta phủ lên bề mặt của dụng cụ cắt có vật liệu nền là vật liệu truyền thống (Thép gió, hợp kim cứng) một hoặc nhiều lớp vật liệu có độ cứng rất cao, độ chịu mài mòn tốt, độ bền nhiệt cao, hệ số dẫn nhiệt thấp và có khả năng bám dính với vật liệu nền như:TiN, TiAlN, TiC, Al2O3, CBN , có thể lên tới 10 lớp mỗi lớp dày 0.2 μm với thành phần khác nhau có giá trị sử dụng cao nhằm:

- Cải thiện tính chất ma sát, nâng cao khả năng chống mài mòn

- Có độ cứng bề mặt, độ chịu nhiệt, độ chịu mài mòn được nâng cao rất nhiều so với vật liệu nền

- Có tính trơ hoá học rất tốt với vật liệu gia công (giảm mòn do khuyếch tán ở nhiệt độ cao)

- Đa số vật liệu phủ có hệ số dẫn nhiệt thấp do đó độ cứng, độ bền của vật liệu nền được giữ trong quá trình gia công

- Hệ số ma sát nhỏ với vật liệu của chi tiết gia công làm giảm lực cắt, nhiệt cắt - Giảm hiện tượng lẹo dao => chất lượng gia công cao

- Dụng cụ cắt phủ cho tốc độ cắt rất cao và tuổi bền có thể tăng gấp 10 lần so với dụng cắt không phủ

Thông thường vật liệu nền là thép gió hoặc hợp kim cứng còn vật liệu phủ là: TiN, TiAlN, TiC, Al2O3, CBN

- TiN là vật liệu thông dụng nhất để phủ dụng cụ cắt Lớp phủ có độ cứng cao,

, tính trơ hoá học cao, hệ số ma sát với vật liệu chi tiết gia công thấp, dính bám tốt với vật liệu nền là hợp kim cứng hay thép gió

- CBN là vật liệu phủ có độ cứng, độ chịu mài mòn, tính dẫn nhiệt cao, tính trơ hoá học cao

- Vật liệu phủ các bít: TiC, WC, CrC có khả năng chịu mài mòn rất cao, dính bám tốt với vật liệu nền, sử dụng rất tốt khi gia công vật liệu có tính mài mòn cao

- Vật liệu phủ Ceramic Al2O3 Có khả nămg chịu nhiệt rất cao, tính trơ hoá học tốt, độ cứng và khả năng chịu mài mòn rất cao Tuy nhiên có nhược điểm là liên kết yếu với vật liệu nền vì nó rất bền vững

- Phủ kim cương có thể phủ một lớp mỏng lên vật liệu nền thông thường là hợp kim cứng bằng phương pháp phủ CVD hoặc PVD Kim cương có độ cứng rất cao, hệ số ma sát thấp Dụng cụ cắt phủ kim cương có hiệu quả đặc biệt trong gia công những vật liệu có tính mài mòn cao ( thép có thành phần silic), vật liệu composit cốt sợi kim loại

- Phủ Titan cacbon nitrit (TiCN) có thêm phần tử các bon trong mạng, vì vậy so với TiN, TiCN có độ cứng cao hơn Hiệu quả tốt khi gia công thép chịu nhiệt, thép không gỉ

- Phủ Titan Aluminium nitrit (TiAlN) có độ cứng cao và hệ số ma sát thấp tính dẫn nhiệt rất thấp do đó dụng cụ cắt có lớp phủ bằng TiAlN có thể làm việc với tốc độ cắt cao hơn từ 20 ÷ 52% so với dụng cụ cắt có lớp phủ TiN

- Phủ nhiều lớp: Những đặc điểm của lớp phủ kể trên có thể được tổ hợp và tối ưu bằng cách phủ nhiều pha

+ Lớp đầu tiên phải dính kết tốt với vật liệu nền (TiC)

+ Lớp ngoài cùng có khả năng chịu mài mòn tốt, hệ số dẫn nhiệt thấp (TiN) + Các lớp trung gian phải có khả năng liên kết tốt với các vật liệu phủ

+ Các lớp phủ phải có hệ số dãn nở nhiệt tương đối giống nhau, nếu không sẽ ảnh hưởng xấu tới tính chất của lớp phủ dưới tác động của nhiệt cắt ( Xuất hiện ứng suất dư, bong tróc các lớp phủ )

Hình 2.1: Phủ bằng phương pháp CVD nhiều lớp lên dụng cụ cắt hợp kim cứng

2.2 Ma sát và mòn của dụng cụ phủ 2.2.1 Ma sát của dụng cụ phủ

Ma sát giữa vật liệu dụng cụ phủ và vật liệu chi tiết gia công được quan tâm rất nhiều Ma sát trong cắt kim loại là ma sát trượt tuy nhiên đặc điểm của tương tác ma sát khác hẳn với ma sát thông thường trong kỹ thuật là lực ma sát phụ thuộc vào áp lực pháp tuyến theo công thức Fm= f.N

Hệ số ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào ứng suất pháp tuyến tại chỗ tiếp xúc hay tỷ số giữa diện tích tiếp xúc thực và diện tích tiếp xúc danh nghĩa

hình vẽ với 3 vùng ma sát Vùng I tương ứng với tiếp xúc mà Ar<<A là vùng mà định luật ma sát trượt khô của Amonton nghiệm đúng nghĩa là f = τ/σ =const

Vùng III là vùng dưới tác dụng của ứng suất cắt tới hạn vật liệu vẫn không bị phá huỷ (không thấy vết nứt tế vi trong lòng vật liệu) khi này Ar/A=1 và τ độc lập vớiσ

Vùng II là vùng chuyển tiếp giữa vùng I và vùng III Trong vùng II hệ số ma sát f giảm khi tăng tải trọng pháp tuyến Vùng II là vùng tương tác ma sát giữa VLGC và VLDC trên các bề mặt của dụng cụ trong cắt kim loại.Theo Phan Quang Thế [3] đã chỉ ra mô hình ba vùng tiếp xúc ma sát trên mặt trước khi tiện vật liệu mềm bằng dao saphia và tiện thép các bon trung bình bằng dao thép gió phủ PVD-

TiN Theo mô hình này thì nhiệt độ cao xuất hiện trên mặt trước thuộc vùng 3 là vùng phoi trượt trên mặt trước và mòn mặt trước bắt đầu phát triển từ vùng này Đây là vùng vật liệu gia công dính nhiều nhất trên mặt trước của dụng cụ phủ PVD sau khi lớp một phần lớp phủ bị phá vỡ

Giống như ma sát, mòn không phải là do tính chất của vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mòn ở bề

Vùng II với Ar<A Vùng III với

Ar<<A

Vùng III với Ar=A Định luật Amontons về

ma sát trượt khô

mặt tiếp xúc chung Sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao

Mòn bao gồm sáu hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính - mỏi bề mặt - va chạm - hoá ăn mòn và điện Theo thống kê khoảng 2/3 mòn xảy ra trong công nghiệp là do các cơ chế dính, trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác là một hiện tượng xảy ra từ từ

Trong thực tế, mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế Trong nhiều trường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ chế mòn ở giai đoạn cuối

Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn.Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công Sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đích làm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ [3]

2.3 Độ mòn dao

dao ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của chi tiết gia công Khi dao mòn lưỡi cắt thường bị vê tròn dẫn đến cơ chế quá trình cắt bị ảnh hưởng, lớp bề mặt bị biến dạng nhiều hơn, do đó không chỉ chiều chiều cao nhấp nhô của lớp bề mặt mà cơ tính lớp bề mặt cũng thay đổi Điều này làm cho lực cắt trong quá trình gia công thay đổi gây ra rung động nhiều hơn, các rung động này lại ảnh hưởng ngược lại đến lực cắt và nhiệt cắt Vì vậy để đánh gia độ mòn dao thông qua việc xác định chất lượng lớp bề mặt chi tiết gia công.Thông thường khi gia công, chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt thay đổi đột ngột thì cần phải thay đổi dụng cụ gia công Do đó