2. 1 Các loại máy phay
3.1. Lý thuyết độ cứng vững
Trong quá trình gia công thì việc giảm bớt những sai số gia công là một trong những yêu cầu luôn đ−ợc coi trọng.
Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số gia công trong đó độ cứng vững của hệ thống công nghệ có một ý nghĩa rất quan trọng. Các yếu tố cơ bản trong hệ thống công nghệ ảnh h−ởng tới sai số gia công nh−:
- Biến dạng tiếp xúc và biến dạng cả bản thân chi tiết - Độ chính xác và tình trạng mòn của máy
- Sai số của đồ gá - Sai số của dụng cụ cắt
Trong đó sai số bởi độ cứng vững của hệ thông công nghệ có một ý nghĩa rất quan trọng.
Hệ thống công nghệ bao gồm: máy, gá, dao, và chi tiết gia công. Chúng không phải có độ cứng một cách tuyệt đối. Khi chịu tác dụng của ngoại lực thì chúng đều bị biến dạng. Nguyên nhân là do vật liệu của các chi tiết có tính đàn hồi, bản thân các bộ phận máy, chi tiết, đồ gá, dao tuy đã đ−ợc thiết kế tối −u về hình dáng song vẫn có kích th−ớc xác định có nghĩa vẫn chịu biến dạng theo thuyết biến dạng đàn hồi của cơ học vật rắn.
Những biến dạng trong hệ thống công nghệ đều mang tính đàn hồi. Nh− vậy khi gia công bằng ph−ơng pháp cắt gọt trên các máy cắt kim loại, d−ới tác dụng của lực cắt thì các thành phần của hệ thống công nghệ đều bị biến dạng đàn hồi. Ngoài sự biến dạng thể tích còn có biến dạng tiếp xúc bề mặt do các bộ phận đều có sự lắp ghép của nhiều chi tiết.
Do có biến dạng đàn hồi và biến dạng tiếp xúc nên làm cho vị trí t−ơng đối giữa dao và chi tiết không ổn định dẫn tới sai số gia công.
Mức độ biến dạng của vật liệu, phụ thuộc vào ứng suất sinh ra trong nó và mô đun đàn hồi của vật liệu. Mức độ biến dạng tiếp xúc, phụ thuộc vào áp suất tiếp xúc, chiều cao nhấp nhô, h−ớng của nhấp nhô và độ cứng của vật liệu lớp bề mặt.
56
Khi gia công chi tiết, ng−ời ta mong muốn vừa có năng suất cao, vừa đảm bảo độ chính xác. Trong đó năng suất cao th−ờng gắn với tăng lực và tăng biến dạng. Vì vậy ta phải tìm cách giảm bớt biến dạng của hệ thống công nghệ khi chịu tác dụng của lực cắt
Độ cứng vững của hệ thống công nghệ là khả năng chống lại biến dạng của nó do ngoại lực gây ra. Độ cứng vững của hệ thống công nghệ đ−ợc biểu diễn định l−ợng bằng công thức sau:
dy dP
J = y (3.1)
Trong đó: J - Độ cứng vững (kN/mm)
Py –Lực tác dụng theo ph−ơng h−ớng kính của bề mặt gia công (kN hoặc kG) y – L−ợng dịch chuyển của mũi dao theo ph−ơng tác dụng của lực (mm) Cùng một chi tiết hay cùng một hệ thống và tại một vị trí nh−ng theo những ph−ơng khác nhau độ cứng vững cũng khác nhau. Vậy cần phải phân tổng các lực tác dụng thành 3 thành phần Px,Py .Pz.theo 3 trục toạ độ vuông góc với nhau OX. OY. OZ, để nghiên cứu. Trên thực tế chỉ có những biến dạng thẳng góc với bề mặt gia công là ảnh h−ởng nhiều nhất tới sai số gia công nên ta chỉ nghiên cứu lực và biến dạng theo ph−ơng này.
Ta có thể tính biến dạng tổng của cả hệ thống. Quan hệ giữa biến dạng của các phần máy hoặc của các khâu trong hệ thống công nghệ và lực tác dụng th−ờng không theo qui luật đ−ờng thẳng mà là đ−ờng cong.
Nh− vậy ứng với tải trọng khác nhau độ cứng cũng khác nhau. Nên có khái niệm độ cứng vững thực và độ cứng vững trung bình. Độ cứng vững tại một vị trí gọi là độ cứng vững thực Ji
Ji =dP/dy =tgαi (3.2) Góc αi là góc tạo bởi tiếp tuyến của đ−ờng cong tại điểm I với trục tung.
Độ cứng vững xác định chung cho một khoảng gọi là độ cứng vững trung bình Jtb
Jtb= AN/NO =tg α (3.3)
57 Góc α là góc tạo bởi OA và trục tung. Có thể viết lại:
Jtb =tg α =Py/y Hay: y=Py /Jy
Đặt ω = 1
J là độ mềm dẻo của phần máy hoặc hệ thống, và để tiện sử dụng ta dùng độ mềm dẻo để tính toán biến dạng thay cho dùng độ cứng vững.
Biến dạng của hệ thống công nghệ bao gồm:
Yht= ym+ yg+ yf + yd (3.4) ht d f g m y ω ω ω ω ω Py ) ( Py = + + + = Do đó ωht = ∑ωi = ωm + ωg + ωf + ωd (3.5) Hay: 1/Jht =1/Jm +1/Jg+ 1/Jf +1/Jd (3.6)
ωm - Độ mềm dẻo của máy
ωg - Độ mềm dẻo của đồ gá
ωf - Độ mềm dẻo của phôi gia công
ωd - Độ mềm dẻo của dao cắt
ωht - Độ mềm dẻo của hệ thống Jm - Độ cứng vững của máy Jg - Độ cứng vững của đồ gá Hình 3.1 Quan hệ giữa lực và biến dạng A’ A B’ B C’ C
58 Jf - Độ cứng vững của phôi
Jd - Độ cứng vững của dao cắt Jht - Độ cứng vững của hệ thống
Biến dạng của hệ thống bằng tổng biến dạng của các khâu thành phần do tại một điểm trên cùng một ph−ơng.
Độ cứng vững của hầu hết các khâu trong hệ thống công nghệ phải xác định bằng thực nghiệm, chỉ có những phôi có hình dạng t−ơng đối đơn giản nh−: các trục trơn, thanh, dầm… và một số loại dao là có thể xác định bằng ph−ơng pháp tính. Sở dĩ nh− vậy vì bất kì độ cứng vững của một hệ thống nào cũng đều do 2 thành phần quyết định:
- Thành phần thứ nhất là khả năng chống lại biến dạng đàn hồi của hệ thống. Thành phần này có thể tính toán khá chính xác nhờ các công thức về sức bền vật liệu hoặc về lí thuyết đàn hồi cho những chi tiết đơn giản. Nh−ng th−ờng hệ thống máy lại đ−ợc nối ghép từ nhiều chi tiết nên nó trở nên phức tạp vậy mà việc tính toán cũng rất khó khăn.
- Thành phần thứ hai là khả năng chống lại biến dạng tiếp xúc giữa bề mặt nối ghép với nhau. Có thể định nghĩa độ cứng vững tiếp xúc là tỷ số giữa áp lực đơn vị q trên mặt tiếo xúc theo ph−ơng pháp tuyến và chuyển vị y của nó.
ξ = q/y (N/mm3) (3.7)
ξ - độ cứng vững của bề mặt tiếp xúc q- áp suất đơn vị (N/mm2)
y- chuyển vị t−ơng đối giữa hai bề mặt (mm)
Biến dạng tiếp xúc có thể bao gồm các nguyên nhân: Khi ch−a chịu tải giữa các mặt bị ngăn cách bởi đệm không khí hoặc dầu bôi trơn nh−ng khi chịu tải chúng bị đẩy ra khỏi vùng tiếp xúc. Điểm đầu các bề mặt chỉ tiếp xúc trên các điểm nhấp nhô, khi tăng tải trọng áp suất cục bộ quá lớn gây biến dạng dẻo làm san phẳng một phần chiều cao nhấp nhô. Các nhấp nhô giữa hai bề mặt có thể cài xen kẽ với nhau. Nếu vật liệu một bên quá cứng một bên quá mềm thì đỉnh nhọn phần nhô ra của vật liệu cứng bị lún sâu vào vật liệu mềm. Tất cả các nguyên nhân trên đều dẫn đến khe hở tiếp xúc giữa hai bề mặt giảm, đó là biến dạng tiếp xúc.
59
Nh− vậy thành phần biến dạng thứ hai này không phải là biến dạng đàn hồi cũng không hoàn toàn là biến dạng dẻo, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố thuộc về chất l−ợng bề mặt của các chi tiết nên rất khó xác định bằng ph−ơng pháp tính toán mà phải xác định bằng thực nghiệm.
Từ kinh nghiệm thực tế ng−ời ta đã xác định đ−ợc quan hệ giữa biến dạng tiếp xúc và áp suất tiếp xúc nh− sau
y = Cq0,4 (3.8) C - Phụ thuộc vào chiều cao nhấp nhô trên bề mặt tiếp xúc và phụ thuộc vào vật liệu của các chi tiết.
Ví dụ với chi tiết bằng gang, bề mặt đ−ợc mài có chiều cao nhấp nhô Rz=15àm thì C =11
Chi tiết là thép mềm, bề mặt qua mài có chiều cao nhấp nhô Rz=15àm thì C = 35
Chi tiết bằng thép mềm, bề mặt qua bào, chiều cao nhấp nhô Rz=35àm thì C = 9
Từ kết quả trên ta thấy độ cứng vững tiếp xúc phụ thuộc vào chiều cao nhấp nhô, h−ớng của nhấp nhô, phụ thuộc vào tính chất cơ lí của lớp vật liệu bề mặt.
Kết luận: Biến dạng tiếp xúc không phải là biến dạng đàn hồi của các bộ phận mà sau khi thôi tác dụng lực nó không trở lại trị số ban đầu. Biến dạng tiếp xúc cũng không hoàn toàn là biến dạng dẻo vì nếu là biến dạng dẻo thì chỉ sau một thời gian làm việc chi tiết sẽ bị phá huỷ hoặc không còn đảm bảo độ chính xác. Vậy bản chất của biến dạng tiếp xúc là sự thay đổi của khe hở giữa hai bề mặt tiếp xúc chịu tải trọng. Sau khi thôi tác dụng lực biến dạng không trở về trị số ban đầu (về giá trị 0) mà có biến dạng d−. Có thể giải thích điều này: Khi có lực tác dụng trạng thái tiếp xúc giữa các bề mặt bị thay đổi và tháo bỏ khi trạng thái tiếp xúc không trở về trạng thái ban đầu. Trạng thái tiếp xúc sau khi chịu tải trọng không phải là trạng thái ổn định, nó bị thay đổi sau một thời gian ngắn hoặc khi không còn giữ nguyên vị trí ấy nữa. (Ví dụ khi ta xoay trục chính đi một góc thì trạng thái tiếp xúc giữa mũi tâm và lỗ tâm trên chi tiết đã thay đổi). Khe hở giữa các bề mặt tiếp xúc sẽ trở về trị số ban đầu nếu trạng thái tiếp xúc trở về trạng thái ban đầu.
60
Hình 3-2. ảnh h−ởng của Py, Pz đến∆Y
Nh− vậy biến dạng của hệ thống công nghệ gồm có hai thành phần:
+ Thành phần biến dạng đàn hồi của vật liệu các chi tiết, thành phần này sẽ trở về không khi thôi tác dụng lực.
+ Thành phần biến dạng tiếp xúc là sự thay đổi khe hở giữa hai bề mặt tiếp xúc, nó phụ thuộc vào trạng thái tiếp xúc giữa chúng. Thành phần này không trở về không khi thôi tác dụng lực.
Từ phân tích trên ta thấy để tăng độ cứng vững của hệ thống (hay giảm độ mềm dẻo) thì phải giảm hai thành phần biến dạng trên :
- Giảm thành phần biến dạng thứ nhất bằng cách tăng kích th−ớc các chi tiết và có kết cấu hợp lí để giảm ứng suất sinh ra trong nó. Chọn vật liệu có mô đun đàn hồi lớn. Nh−ng điều này không phải tăng mãi đ−ợc.
- Giảm thành phần biến dạng thứ hai, đây là biện pháp có hiệu quả đối với thực tế ở n−ớc ta hiện nay, bằng cách nâng cao chất l−ợng bề mặt của các mặt tiếp xúc nh− : gia công các bề mặt có độ nhẵn bóng cao để hạ thấp chiều cao nhấp nhô, làm bằng các đỉnh nhấp nhô để tăng diện tích tiếp xúc bằng ph−ơng pháp cạo, gõ hoặc lăn ép. Chọn vật liệu hợp lí, dùng các biện pháp để tăng cơ tính của lớp vật liệu bề mặt. Chăm sóc và bảo quản tốt các bề mặt tiếp xúc. Cắt thử và điều chỉnh máy để đ−a các bề mặt tiếp xúc vào đúng vị trí và trạng thái nh− gia công.