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
- 12 -
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.
- 13 -
Hình 6: Hình ảnh các dạng dao phay ngón
Dao phay là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, trong quá trình cắt ngoài những đặc điểm giống quá trình cắt khi tiện, còn có những đặc điểm sau:
- Dao có một số lưỡi cắt cùng tham gia cắt, nên năng suất cắt khi phay cao hơn khi bào.
- Lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lượng thân dao phay thường lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt.
- Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung động trong quá trình cắt.
- Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khả năng tồn tại lẹo dao ít.
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.
- 14 - A’’ A’ A (a) (b) A A’’ A’ B’ B B’’
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.
- 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:
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.
+ Điều kiện cắt.
+ Phương pháp gia công (khoan, tiện, phay, mài). + Môi trường cắt.
Từ quan điểm ứng dụng thực tiễn chúng ta quan tâm trước tiên đến trường nhiệt độ của dụng cụ (vì lý do kinh tế) và trường nhiệt độ của chi tiết gia công (vì lý do chất lượng). Trường nhiệt độ và nhiệt độ trung bình của chi tiết gia công có ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước và trạng thái lớp bề mặt của chi tiết gia công (biến cứng và ứng suất dư).
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).