5. Nội dung của luận văn 3
2.3. Gia công cắt gọt khi phay 16
2.3.1. Khái niệm chung
Phay là phƣơng pháp gia công kim loại đƣợc dùng phổ biến từ thế kỷ XIX. Từ đó đến nay nó đã trải qua một thời kỳ dài phát triển. Phƣơng pháp phay đƣợc nhiều học giả quan tâm nghiên cứu.
Có thể gia công mặt phẳng, mặt định hình, rãnh then, then hoa, bánh răng... bằng dao phay.
Trải qua một thời gian dài phát triển, dao phay ngày càng đƣợc cải tiến, đã xuất hiện nhiều kiểu khác nhau nhƣ: dao phay mặt đầu, dao phay đĩa, dao phay đĩa cắt đứt, dao phay ngón, dao phay góc, dao phay định hình...
Nói chung, dao phay là dụng cụ nhiều lƣỡi cắt nên quá trình cắt ngoài những đặc điểm của phƣơng pháp tiện, còn có những đặc điểm sau đây:
- Năng suất phay cao hơn bào nhiều lần do có đồng thời nhiều lƣỡi cắt.
- Lƣỡi cắt của dao phay không làm việc liên tục, mặt khác khối lƣợng thân dao thƣờng lớn nên khả năng truyền nhiệt tốt.
- Diện tích cắt khi phay thay đổi do đó lực cắt thay đổi gây rung động trong quá trình cắt.
- Khả năng tồn tại lẹo dao ít do lƣỡi cắt làm việc gián đoạn gây va đập và rung động.
2.3.2. Phân loại dao phay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (Hình 2.1. Các loại dao phay)
a- dao phay trụ; b- dao phay đĩa và dao phay rãnh; c- dao phay ngón; d,e- dao phay mặt đầu; g- dao phay định hình; h- dao phay cắt đứt
Theo khả năng công nghệ: - Dao phay mặt phẳng. - Dao phay rãnh. - Dao phay định hình.
- Dao phay bánh răng và ren. - Dao phay các chi tiết tròn xoay. - Dao phay cắt đứt.
Theo đặc điểm cấu tạo:
- Theo phƣơng của răng: dao phay răng thẳng, dao phay răng nghiêng, dao phay răng xoắn...
- Theo kết cấu của răng: dao phay răng nhọn, dao phay răng tù (phay hớt lƣng). - Theo kết cấu: dao phay liền, dao phay ghép, dao phay răng chắp, đầu dao lắp ghép. - Theo phƣơng pháp kẹp chặt: dao phay có lỗ, dao phay chuôi trụ hay côn.
2.3.3. Vật liệu chế tạo dao phay
Hợp kim cứng thƣờng đƣợc sử dụng cho chế tạo dao phay mặt đầu, dao phay có kích thƣớc lớn. Ít khi đƣợc sử dụng để chế tạo dao phay ngón cắt rãnh.
Hợp kim cứng có độ cứng cao, có thể đạt HRA = 86 ÷ 92, chịu nhiệt độ khoảng
10000C, do đó có thể tăng vận tốc cắt lên gấp 2 ÷ 3 lần thép gió. Hợp kim cứng đƣợc
chế tạo từ các bột cácbít vônfram (WC), cácbít titan (TiC), cácbít tantan (TaC), trộn với chất dính kết là bột côban, ép mảnh định hình rồi thiêu kết ở nhiệt độ ở khoảng 20000C để côban chảy ra và liên kết các hạt cácbít lại với nhau. Các hợp kim cứng thƣờng dùng là BK, TK, TTK hoặc P01, P10, P20, P30, P40, P50, M10, M20, M30, M40, K01, K10, K20, K30.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Nhóm 1 cácbít BK: là hợp kim cứng một cácbít WC nhƣ BK3, BK8, BK10... Ví dụ: BK8 có 8%Co và 92% Cácbít.
- Nhóm 2 cácbít TK: là hợp kim cứng hai cácbít TiC và WC nhƣ T15K6, T30K4... Ví dụ: T15K6 có 6%Co, 15% TiC và 79% WC.
- Nhóm 3 cácbít TTK: là hợp kim cứng ba cácbít TiC, WC, TaC nhƣ: TT7K12 có 12% Co, 7%TiC và 81% WC.
2.3.4. Dao phay Hợp kim cứng phủ PVD
Phủ PVD đƣợc thực hiện trong buồng kín khí trơ với áp suất thấp khoảng 10-2bar ở
nhiệt độ từ 400oC-500oC. Với nhiệt độ của quá trình nhƣ thế phủ PVD thích hợp cho
các dụng cụ thép gió, thép hợp kim,... Do nhiệt độ thấp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải đƣợc 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 đƣợc thực hiện trƣớc khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền. Theo nguyên tắc bay hơi 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, và phƣơng pháp phát xạ.
Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN,TiCN, TiAlN và CrN. ứng
suất dƣ trong lớp phủ là ứng suất nén, chiều dày lớp phủ thƣờng bị hạn chế dƣới 5 m đẻ tránh sự tạo nên ứng suất dƣ có cƣờng độ cao trong lớp phủ.
Phủ PVD đã mở rộng phạm vi sử dụng của HKC nhƣ các mảnh dao phay hợp kim cứng phủ PVD trong một số trƣờng hợp tỏ ra tốt hơn dao gắn mảnh các bít. Hơn nữa PVD còn có thể phủ đƣợc ở trạng thái không cân bằng nhiệt mà CVD không thể thực hiện đƣợc, nhƣ phủ hợp chất kim cƣơng nhân tạo với các hạt các bít siêu nhỏ WC/C. Ƣu điểm này của PVD là cơ sở cho việc phủ các lớp bôi trơn cùng với các lớp
phủ cứng nhƣ MoS2 và WC/C, chẳng hạn các lƣỡi cắt của mũi khoan cần đƣợc bảo vệ
bằng các lớp phủ cứng, nhƣng các bề mặt rãnh thoát phoi cần đƣợc 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.
2.3.5. Các thông số hình học của dao phay
Ở dao phay mặt đầu (hình 2.2.) các lƣỡi cắt đƣợc chế tạo giống nhƣ các dao tiện có lƣỡi cắt chuyển tiếp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(Hình 2.2. Các thông số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu)
Định nghĩa các góc của dao phay mặt đầu cũng tƣơng tự nhƣ định nghĩa các góc của dao tiện thƣờng. Ví dụ: góc φ (góc nghiêng chính) là góc giữa hình chiếu của lƣỡi
cắt chính lên mặt phẳng đáy và phƣơng chạy dao. Góc φ0 = φ/2 là góc nghiêng của góc
cắt chuyển tiếp.
Đo góc đƣợc thực hiện trong mặt phẳng N-N vuông góc với lƣỡi cắt chính, còn góc sau đƣợc đo trong mặt phẳng của hình chiếu của quỹ đạo chuyển động của một điểm của lƣỡi cắt, có nghĩa là trong mặt phẳng A-A vuông góc với trục của dao và trùng với phƣơng chạy dao.
Giữa góc sau N và có quan hệ phụ thuộc sau: tg N = tg .sinφ
Ngoài các góc trên đây, dao phay mặt đầu còn có thêm góc hƣớng kính (hay góc ngang) N trong mặt phẳng cắt ngang A-A và góc trục (hay góc dọc) 2 trong mặt phẳng cắt dọc B-B.
Các góc của dao phay đƣợc chọn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công, điều kiện cắt và kết cấu của nó. Ví dụ, khi gia công thép bằng dao phay mặt đầu hợp kim cứng thì chọn góc = -10 ÷ +100, còn khi gia công gang thì chọn = +5 ÷ 00.
Góc nghiêng chính φ của dao phay mặt đầu thƣờng bằng 45 ÷ 600 và đƣợc chọn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
nghệ đảm bảo, φ đƣợc chọn trong khoảng 20 ÷ 300. Góc nghiêng phụ φ1 đƣợc chọn
phụ thuộc vào độ bóng bề mặt yêu cầu.
2.3.6. Các yếu tố của lớp cắt
(Hình 2.3. Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay)
Quá trình phay có những đặc điểm sau:
- Mỗi răng của dao phay trong quá trình cắt sẽ hớt ra phoi có dạng một dấu phẩy (hình 2.3.), còn chiều dày cắt thay đổi từ 0 đến amax.
- Mỗi một răng của dao phay làm việc với chế độ gián đoạn theo chu trình kỳ. Chế độ làm việc nhƣ vậy có ƣu điểm là khi răng của dao phay đi ra khỏi chi tiết nó đƣợc làm nguội còn nhƣợc điểm là khi răng ăn vào chi tiết gia công sẽ gây ra va đập. - Để phân tích chiều dày cắt và diện tích của lớp cắt cần xác định góc tiếp xúc δ, có nghĩa là góc tâm tƣơng ứng với cung tiếp xúc của dao phay với phôi (hình 2.3.). Ta có: D B D B 2 2 2 sin
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (Hình 2.4. Sơ đồ tính góc tiếp xúc)
- Chiều dày cắt a là khoảng cách giữa hai vị trí hình chiếu của hai răng kề nhau đƣợc đo theo phƣơng hƣớng kính (hình 2.4.)
Công thức tổng quát của chiều dày cắt đƣợc tính nhƣ sau: aΨ = SZ.sinΨ
- Ở đây: Ψ là góc tiếp xúc tức thời giữa đƣờng vuông góc (với mặt gia công) và bán kính tại điểm tiếp xúc của đỉnh răng dao với chi tiết gia công.
Chiều dày cắt trung bình a0 bằng:
- Khi biết chiều rộng cắt B và chiều dày cắt amax có thể xác định đƣợc diện tích của tiết diện ngang của lớp cắt bằng dao phay: f = B.a
(Hình 2.5. Sơ đồ xác định chiều dày cắt và diện tích lớp cắt của các răng dao phay khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt)
D t S S a z (1 cos ) z 2 1 0 2 2 2 max D t D t z BS f
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.3.7. Lực cắt khi phay
Tổng hợp lực R1 có thể phân tích thành hai thành phần: lực vòng P (PZ) tác dụng theo tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động của lƣỡi cắt và lực hƣớng kính Py (hình 2.6 a).
( Hình 2.6. Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay trụ)
Trong đó: a) Răng thẳng; b) Răng xoắn (răng nghiêng)
Ngoài ra, tổng hợp lực R1 có thể phân tích thành: lực nằm ngang PH và lực
thẳng đứng PV. Nếu dao có răng xoắn (răng nghiêng) ngoài lực R1 tác dụng lên răng
dao trong mặt phẳng vuông góc với trục của dao còn xuất hiện lực dọc trục P0, khi
đó tổng hợp lực sẽ là R (hình 2.6 b).
Lực P là lực cần quan tâm nhất bởi nó thực hiện công việc chính để cắt phoi. Dựa theo lực này mà ngƣời ta tính công suất cắt và tính các chi tiết của cơ cấu
chuyển động chính của máy. Lực hƣớng kính Py gây ra áp lực lên ổ bi của trục chính
máy và uốn võng trục dao. Dựa theo lực ngang PH (lực chạy dao) ngƣời ta tính toán
cơ cấu chạy dao và đồ gá kẹp phôi. Lực này có thể gây rung động khi giữa cặp vít
me - đai ốc có khe hở. Lực hƣớng kính PV có xu hƣớng nâng phôi lên khỏi bàn máy
và nâng bàn máy lên khỏi thân máy.
Công thức tính lực vòng khi phay bằng dao phay bằng dao phay trụ răng thẳng P = Cp.tXp.SZYp.B.z.Dqp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.3.8. Độ mòn và tuổi bền của dao phay
Tùy thuộc vào điều kiện cắt, răng dao phay có thể bị mài mòn tùy theo mặt trƣớc (hình 2.7 a) hoặc đồng thời bị mài mòn theo cả hai mặt trƣớc và sau (hình 2.7 b). Chiều dày cắt càng nhỏ, độ mòn của mặt sau càng lớn.
( Hình 2.7. Các dạng mài mòn của răng dao phay)
Dạng mài mòn nhƣ vậy đặc trƣng cho các loại dao phay hình trụ, dao phay ngón, dao phay then hoa, dao phay rãnh và dao phay định hình. Các loại dao phay
mặt đầu và dao phay đĩa khi gia công thép với chiều dày cắt amax > 0,08 mm thông
thƣờng cả hai mặt trƣớc và sau đều bị mài mòn [4].
Khi gia công thô chỉ tiêu mòn tối ƣu của dao phay là thời gian phục vụ tối đa (tuổi bền của dao). Khi gia công tinh và bán tinh cần đánh gía mòn chỉ tiêu công nghệ, có nghĩa là độ mòn giới hạn để đảm bảo chất lƣợng bề mặt gia công.
Tuổi bền của dao phay phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có đƣờng kính của dao. Đƣờng kính dao càng lớn, tuổi bền của dao càng cao. Tuy nhiên, để tăng chế độ cắt nên giảm tuổi bền của dao xuống khi phay thép hợp kim và thép khó gia công.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.4. Ứng dụng của phay cứng thép 60C2 qua tôi và giới hạn vấn đề nghiên cứu. 2.4.1. Ứng dụng 2.4.1. Ứng dụng
Yêu cầu nâng cao hiệu quả phay thép đã tôi ngày càng tăng do sự gia tăng sử dụng thép có độ cứng, độ bền cao trong công nghệ chế tạo máy (ví dụ nhƣ trong công nghiệp ôtô, tàu hỏa,…). Phay cứng cho phép chúng ta có thể bỏ đƣợc hoặc giảm bớt đƣợc nguyên công mài trong quá trình chế tạo chi tiết, trong những trƣờng hợp đặc biệt nó là nguyên công chuẩn bị cho nguyên công mài.
Trên thế giới và Việt Nam đã có một số nghiên cứu về công nghệ phay cứng và đã đạt đƣợc những thành công nhất định ở một số lĩnh vực trong công nghệ kim loại nhƣng công nghệ phay cứng vẫn rất cần đƣợc nghiên cứu thêm để làm rõ hiệu quả to lớn của nó trong lĩnh vực sản xuất cơ khí.
Trong điều kiện sản xuất cụ thể tại Việt Nam thì việc nghiên cứu ứng dụng phay cứng thay cho nguyên công mài là phƣơng pháp gia công truyền thống để gia công các sản phẩm căn lót trong đầu máy tàu hỏa nhằm nâng cao năng xuất và chất lƣợng sản phẩm đang trở thành mục tiêu đặt ra cho các nhà sản xuất cơ khí.
2.4.2. Giới hạn vấn đề nghiên cứu
Chúng ta biết rằng, trong công nghệ phay cứng có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công và chất lƣợng sản phẩm nhƣ: các thông số của chế độ cắt, dung dịch trơn nguội, phƣơng pháp gia công, tính chất của cặp vật liệu dao-phôi, lƣu lƣợng tƣới dung dịch trơn nguội, áp suất khí nén phun vào vùng cắt,....
Mục đích của đề tài là nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ cắt đến các thông số công nghệ của quá trình cắt khi phay mặt phẳng thép 60C2 đã qua tôi bằng dao phay mặt đầu HKC phủ PVD trong điều kiện cụ thể của nƣớc ta.
Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thông số lƣợng chay dao S, vận tốc cắt tới chất lƣợng bề mặt gia công trong điều kiện cắt khô hoàn toàn và đƣợc đánh giá qua yếu tố về độ nhám bề mặt chi tiết.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thông số lƣợng chay dao S, vận tốc cắt tới quá trình cắt trong điều kiện cắt khô hoàn toàn và đƣợc đánh giá qua yếu tố về lực cắt trong qúa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
trình gia công.
Trên cơ sở của các vấn đề nghiên cứu trên, tác giả chọn phƣơng pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm trong đó nghiên cứu thực nghiệm là cơ bản.
Mô hình nghiên cứu thực nghiệm nhƣ sau:
Đầu vào: các thông số chế độ cắt
(cắt khô hoàn toàn)
- Lượng chạy dao S
- Tốc độ cắt V
- Chiều sâu cắt t
Quá trình cắt: Phay cứng
(cắt khô hoàn toàn) Phay phẳng thép 60C2
qua tôi bằng dao phay mặt đầu HKC phủ PVD
Đầu ra: đánh giá thông qua các chỉ tiêu:
- Lực cắt khi phay
- Nhám bề mặt chi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
Phƣơng pháp thực nghiệm là một phần quan trọng của việc nghiên cứu quy luật ảnh hƣởng của các thông số chế độ cắt đến chất lƣợng bề mặt, rung động và lực khi phay cứng thép 60C2 đã qua tôi bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kin cứng phủ PVD. Cần có phƣơng pháp thực nghiệm tiên tiến và phù hợp để kiểm chứng các giả thuyết khoa học và đƣa ra kết luận, hƣớng dẫn chính xác và có cơ sở khoa học.
Để nghiên cứu thực nghiệm một cách khoa học và chính xác cần dựa trên lý thuyết quy hoạch thực nghiệm hiện đại phù hợp với đề tài.
Dƣới đây là một số vấn đề lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm mà khi nghiên cứu cần thực hiện để đạt đƣợc kết quả chính xác.
3.1.1. Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm a. Nguyên tắc không lấy toàn bộ các trạng thái đầu vào a. Nguyên tắc không lấy toàn bộ các trạng thái đầu vào
Việc lấy toàn bộ trạng thái đầu vào của thông số ảnh hƣởng sẽ làm cho khối