Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và ảnh hưởng của nó

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là do bản thân
tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo PGS.TS. NGUYỄN HUY NINH.
Ngoài các phần tài liệu tham khảo đã đƣợc liệt kê và nêu rõ trong Luận văn, các số
liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
một công trình nào khác.
Hà nội, Ngày......tháng........năm 2015
Ngƣời thực hiện

Trần Hồng Thanh


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS: Nguyễn Huy Ninh, ngƣời đã hƣớng
dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hƣớng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết
và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học,
Viện Cơ khí của trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để
hoàn thành bản Luận văn này.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn Trung tâm BK _CNC và các giáo viên thuộc
trung tâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sự dụng thiết bị để
thực hiện luận văn.
Tác giả cũng rất lấy làm cảm kích trƣớc những ý kiến đóng góp của các thầy, cô
giáo thuộc Viện Cơ khí và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác
giả tháo gỡ những vƣớng mắc trong thời gian thực hiện Luận văn.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa
học và các bạn đồng nghiệp để Luận văn đƣợc hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong
thực tiễn.

Hà nội, ngày .... tháng ....năm 2015

Ngƣời thực hiện

Trần Hồng Thanh

2


Môc lôc
Trang
Trang bìa
Lời cam đoan

1

Lời cảm ơn

2

Mục lục

3

Các ký hiệu và chữ viết tắt

7

Danh mục các bảng biểu

8

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

9

PHẦN MỞ ĐẦU

11

1.Lý do chọn đề tài

11

2.Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên
cứu

11

3.Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

12

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

12

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC (HSM)

13

1.1 Lịch sử của gia công cao tốc

13

1.2 Định nghĩa về gia công tốc độ cao

14

1.3 Dụng cụ cắt

16

1.4 Hình thành phoi

19

1.5 Lực cắt

23

1.6 Nhiệt cắt

25

1.7 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

27

1.8 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của gia công cao tốc

30

1.9 Thời gian gia công

31

1.10 Ứng dụng

31

3


CHƢƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM

33

BỀ MẶT
2.1 Tổng quan về nhám bề mặt sản phẩm.

33

2.1.1. Trung bình sai lệch số học biên độ (prôfin), Ra

34

2.1.2. Chiều cao cực đại của biên độ(prôfin), Ry

34

2.1.3. Độ cao mƣời điểm của độ nhám, Rz

34

2.1.4. Sai lệch tiêu chuẩn của biên độ (profin), Rq

35

2.2. Ảnh hƣởng của độ nhám bề mặt tới khả năng làm việc của
chi tiết máy

36

2.2.1. Ảnh hƣởng tới tính chống mòn

37

2.2.2. Ảnh hƣởng tới độ bền mỏi của chi tiết

40

2.2.3. Ảnh hƣởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt
chi tiết

40

2.2.4. Ảnh hƣởng tới độ chính xác mối lắp ghép

41

2.2.5. Lựa chọn độ nhám bề mặt

42

2.2.6 Kết luận về tầm quan trọng của độ nhám bề mặt

43

2.3 Những kết quả đã đạt đƣợc trong việc nghiên cứu các yếu tố
ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra, Rz).

43

2.3.1 Các kết quả đối với máy công cụ truyền thống

43

2.3.1.1 Các yếu tố mang tính chất hình học của dụng cụ cắt và

43

chế độ cắt .
2.3.1.2 Các yếu tố phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt

46

2.3.1.3 Ảnh hƣởng do dung động của hệ thống công nghệ đến chất

49

lƣợng bề mặt gia công.

2.3.1.4 Biện pháp cải thiện độ bóng bề mặt gia công chi tiết máy

50

bằng dụng cụ cắt có lƣỡi cắt định hình
2.3.2 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt trong quá trình

51

gia công cao tốc
2.3.2.1 Độ nhám bề mặt gia công

51

4


2.3.2.2 Nhiệt cắt và lực cắt trong gia công cao tốc

52

2.3.3 Kết luận chƣơng 2

53

CHƢƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ LẬP TRÌNH HEIDENHAIN –
CODE SỬ DỤNG TRONG CÁC MÁY CNC
3.1 Hệ thống tọa độ trên máy iTNC 530

54

3.2 Dao cắt và chuyển động lập trình của dao cắt

56

3.3 Cấu trúc một chƣơng trình NC

59

3.4 Lập trình gia công Heidenhain – code

60

3.4.1 Các hàm nội suy

60

3.4.1.1 Chạy dao nhanh FMAX

60

3.4.1.2 Nội suy tuyến tính L

61

3.4.1.3 Nội suy cung tròn

62

3.4.1.4 Nội suy tọa độ cực

66

3.4.2 Một số chức năng gia công góc

69

3.4.3 Điều khiển các đƣờng vào/ra của đƣờng chạy dao

71

3.5 Các chu trình gia công

75

3.5.1 Gọi chu trình gia công

76

3.5.2 Các chu trình phay mặt phẳng, mặt đầu

76

3.5.3 Các hàm chức năng phụ

77

3.5.4 Ví dụ lập trình và gia công pis ton

79

CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ
CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI PHAY CAO TỐC.

5

84


4.1. Xây dựng hệ thống thí nghiệm

84

4.1.1 Điều kiện thực nghiệm

85

4.1.1.1 Sơ đồ thực nghiệm

85

4.1.1.2 Máy gia công và dụng cụ cắt

86

4.1.1.3 Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ301

87

4.1.1.4 Vật liệu gia công

87

4.1.1.5 Phƣơng pháp phay mặt đầu

88

4.1.1.6 Chế độ bôi trơn làm mát

88

4.1.2 Kết quả thực nghiệm

88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

92

1. Kết luận

92

2. Kiến nghị

92

TÀI LIỆU THAM KHẢO

93

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Thứ

Nội dung

nguyên

Ra

- Sai lệch số học trung bình của prôfin

m

Rz

- Chiều cao nhấp mô theo 10 điểm của prôfin

m

Rmax

- Chiều cao lớn nhất của prôfin

m

h

- Chiều cao nhấp mô

m

p

- Bƣớc của nhấp mô

m

Si

- Bƣớc trung bình của nhấp mô theo đỉnh

m

Smi

- Bƣớc trung bình của nhấp mô theo prôfin

m

6


l

- Chiều dài chuẩn

m

ypmi

- Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh cao nhất

m

yvmi

- Chiều cao đỉnh thứ i trong 5 đỉnh thấp nhất

m

n

- Số điểm chia, số thực nghiệm

-

C

- Hệ số

-

x, y, z

- Số mũ

-

ti

- Thời gian mòn ban đầu, i = 1:3

Giây (s)

Ti

- Thời gian mòn ổn định, i = 1:3

Giây (s)

Thd

- Là dung sai hình dạng.

U

- Lƣợng mòn ban đầu

mm

-1

- Giới hạn bền mỏi

N/mm2

-1a

- Giới hạn bền mỏi khi không có ứng suất dƣ

N/mm2

-1b

- Giới hạn bền mỏi khi có ứng suất dƣ

N/mm2

d

- ứng suất dƣ lớn nhất ở lớp bề mặt

N/mm2

S

- Bƣớc tiến dao

mm/vòng

V

- Vận tốc cắt

m/phút

HSM (High Speed Machining ): Gia công cao tốc
CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính
MCU (Machine Control Unit) – Hệ điều khiển máy
CAD (Computer Aided Design) – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính
CAM (Computer Aided Manufacturing) – Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính
RP (rapid prototyping) – Tạo mẫu nhanh
EDM(Electric Discharge Machining)- Gia công tia lửa điện

7


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT Bảng số Nội dung

Trang

1

1.1

Thuộc tính của những vật liệu cắt và lớp phủ cao cấp

19

2

2.1

Cấp độ nhám theo TCVN 2511-95

36

3

2.2

Biện pháp cải thiện độ bóng bề mặt

30

4

3.1

Các hàm chức năng phụ: M-code

77

5

4.1

6

4.2

Bảng các thông số của dụng cụ cắt

82

7

4.3

Ma trận thí nghiệm các thông số đầu vào

83

8

4.4

Bảng tính toán các thông số công nghệ

84

9

4.5

Bảng kết quả độ nhám bề mặt Ra

84

Vận tốc cắt đƣợc sử dụng trong HSM theo kinh nghiệm vc
(m/phút).

10

80

88

11
12

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

TT

Hình số

Nội dung

1

1.1

3

1.2

Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu

15

4

1.3

Tổng quan của gia công cao tốc

16

5

1.4

Mối liên hệ giữa kỹ thuật gia công và máy công cụ

16

6

1.5

Kiểu mòn trên dao tiện và mũi khoan trong phay cao tốc

17

7

1.6

Kiểu mòn trên dao phay ngón trong phay cao tốc

17

Trang

Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của
Salomon)

8

13


Cách ghi ký hiệu trên bản vẽ
Ảnh hƣởng của các lớp phủ vật liệu dụng cụ khác nhau lên

8

1.7

9

1.8

Dụng cụ dùng trong phay cao tốc

19

10

1.9

Phoi sinh ra từ những vận tốc cắt khác nhau

20

11

1.10

Bề dày phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau

21

12

1.11

13

1.12

14

1.13

15

1.14

16

1.15

Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến lực cắt

24

17

1.16

Các vùng nhiệt cắt khác trong quá trình cắt vuông góc

25

18

1.17

Đƣờng cong về nhiệt của Salomon và Mc Gee

26

19

1.18

Nhiệt cắt của chi tiết và dao tạiV=600m/ph, Sr=0,25mm/r

26

20

1.19

Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

27

21

1.20

Vùng kỹ thuật tối ƣu cho gia công cao tốc

27

22

1.21

Ổ lai với bi làm bằng ceramic

29

23

1.23

24

2.1

Profin của bề mặt chi tiết

33

25

2.2

Bề mặt chi tiết sau khi mài

33

26

2.3

Sơ đồ xác định Profin trung bình cộng Ra

34

27

2.4

Sơ đồ xác định Profin Ry

34

28

2.5

Sơ đồ xác định Profin trung bình cộng Rz

35

tuổi bền của dụng cụ cắt

Hình thái của phoi nhận đƣợc trong vùng gia công thông
thƣờng và gia công cao tốc
Mặt cắt của việc hình thành phoi trong gia công khi cắt
tại
Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng
khi thay đổi vận tốc cắt
Nhờ phay cao tốc mà khi gia công thành mỏng không bị
uốn cong vì lực cắt nhỏ so với pp truyền thống.

Ảnh hƣởng của thời gian gia công đến chất lƣợng độ
nhám bề mặt

9

18

21

22

23

24

31


29

2.6

Sơ đồ xác định Profin Rq

35

30

2.7

Mô hình 2 bề mặt tiếp xúc

38

31

2.8

Quá trình mòn của 1 cặp ma sát

39

32

2.9

33

2.10

34

2.11

35

2.12

36

2.13

Hiện tƣợng lẹo dao(BUE)

47

37

2.14

Ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến chiều cao lẹo dao

48

38

2.15

Ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô tế viRz

48

39

2.16

40

2.17

41

2.18

So sánh giữa gia công truyền thống và phay cao tốc

52

42

4.1

Sơ đồ thí nghiệm tổng quát

80

43

4.2

Trung tâm máy phay Mikron UCP600

81

44

4.3

Sơ đồ máy đo độ nhám

82

45

4.4

Mẫu thí nghiệm

83

46

4.5

Sơ đồ cắt khi thí nghiệm gia công

83

41

4.6

Ảnh hƣởng của V,Sz lên Ra khi t=0,2mm

86

Quan hệ giữa lƣợng mòn ban đầu (U) và sai lệch Profin
trung bình cộng Ra
Quá trình ăn mòn hóa học trên lớp bề mặt chi tiết máy
Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi Rz và lƣợng chạy
dao S
Ảnh hƣởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và
chế độ cắt đến nhấp nhô bề mặt chi tiết khi tiện

Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao S đối với chiều cao nhấp
nhô tế vi Rz
Lƣợng chạy dao và bán kính của các dụng cụ cắt ảnh
hƣởng đến độ nhám bề mặt

10

40
40
44

46

49

51


PHẦN MỞ ĐẦU
1 . Lý do chọn đề tài
Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, các máy công cụ điều
khiển số (NC và CNC) hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến tại các nƣớc phát triển.
Trong những năm gần đây các máy CNC đƣợc nhập vào Việt Nam với số lƣợng
ngày càng phát triển. Việc tìm hiểu khai thác khả năng công nghệ gia công trên máy
CNC cũng nhƣ trên trung tâm gia công nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao đang là nhiệm
vụ cấp bách.
Gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) là một trong những công
nghệ gia công hiện đại. So với phƣơng pháp cắt gọt truyền thống thì gia công cao
tốc có khả năng nâng cao năng suất, độ chính xác, chất lƣợng chi tiết gia công, giảm
chi phí sản xuất và thời gian gia công.
Ở Việt Nam, gia công cao tốc chƣa có vị trí xứng đáng trong đào tạo và trong
thực tiễn sản xuất. Vì thế có rất ít công trình nghiên cứu về gia công cao tốc. Việc
sử dụng gia công cao tốc trong thực tế sản xuất còn hạn chế. Vì vậy việc nghiên cứu
sâu sắc và ứng dụng hiệu quả quá trình gia công cao tốc, góp phần nâng cao chất
lƣợng các sản phẩm cơ khí là một vấn đề rất cấp thiết hiện nay ở nƣớc ta.
Để nâng cao hơn nữa hiệu quả của các trung tâm gia công vào chƣơng trình
đào tạo Đai học, Sau đại học, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ và khai
thác trong quá trình sản xuất và gia công các sản phẩm có độ phức tạp và độ chính
xác gia công cao.
Vì vậy tác giả chọn đề tài:

“Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và ảnh hưởng của nó đến
độ nhám bề mặt và độ chính xác khi gia công cao tốc trên trung tâm gia công 5 trục
UCP600”
2. Mục đích nghiên cứu của luân văn, đối tƣơng, phạm vi nghiên cứu.
2.1 Mục đích nghiên cứu.
- Mục đích nghiên cứu là: Đánh giá chất lƣợng bề mặt chi tiết khi gia công thép trên
trung tâm UCP600, từ đó xác lập mối quan hệ giữa các thông số độ nhám bề mặt

11


với chế độ cắt để ngƣời làm công nghệ điều khiển máy gia công với chế độ cắt phù
hợp theo độ nhám yêu cầu.
- Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng dạy và học tập.
2.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là các thông số chế độ cắt ảnh hƣởng tới Ra khi
phay cao tốc trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600.
3. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả
Nội dung nghiên cứu gồm:
- Tìm hiểu hệ điều hành Heidenhain (iTNC 530) cho các máy CNC
- Biên tập tài liệu hƣớng dẫn sự dung Trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP 600
- Làm rõ cơ sở lý thuyết và bản chất của quá trình gia công cao tốc
- Gia công mẫu trên trung tâm gia công 5 trục UCP600 và đo các thông số công
nghệ để so sánh giữa phƣơng pháp cắt cao tốc và cắt bình thƣờng
Ý nghĩa đề tài:
- Những nghiên cứu về gia công cao tốc đƣợc công bố gần đây tập trung vào
việc nghiên cứu các ảnh hƣởng của phay cao tốc đến độ nhám bề mặt và độ chính
xác gia công. Đề tài đã làm sáng tỏ hơn về bản chất HSM và đóng góp một số kết
quả vào hƣớng nghiên cứu này.
- Chế độ cắt có ảnh hƣởng nhiều đến các thông số đặc trƣng của phƣơng

pháp gia công cao tốc.
- Phay cao tốc là một quá trình phức tạp với lớn các thông số ảnh hƣởng và
chỉ tiêu đánh giá.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đƣợc trình bày trong
luận văn không chỉ phù hợp với đối tƣợng nghiên cứu của đề tài mà còn có thể sử
dụng khi nghiên cứu quá trình phay cao tốc ứng với các điều kiện gia công khác
nhau.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công cao tốc và quy hoạch thực nghiệm.
-Nghiên cứu thực nghiệm gia công thép làm khuôn và xử lý số liệu thí nghiệm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.

12


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC (HSM)
1.1 Lịch sử của gia công cao tốc.
Định nghĩa đầu tiên về HSM đƣợc đƣa ra bởi Carl Salomon vào năm 1931.
Dựa trên nghiên cứu về cắt kim loại trên thép và hợp kim màu: vận tốc cắt vc =
440 m/phút (thép), 1600 m/phút (đồng), 16.500 m/phút (nhôm). Và ông đã dự
đoán rằng từ một tốc độ cắt xác định thì nhiệt độ gia công sẽ giảm trở lại (hình

Nhiệt cắt 0C

1.1)

Tốc độ cắt (m/phút)
Hình 1.1. Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon)
Salomon thực hiện nghiên cứu cơ bản của mình trên lƣỡi cƣa tròn, và vì tốc độ

cao quay không có sẵn ông đã có thể đạt tốc độ cắt cao chỉ bằng cách tăng đƣờng
kính.
vc 

.D.n

1000 (m/phút) (1.1)

13


Tuy nhiên, gia công phần lớn các phôi, các công cụ có đƣờng kính rất lớn
hiếm khi đƣợc sử dụng. Điều này có nghĩa rằng trong ứng dụng thực tế tốc độ cắt
cao, chủ yếu có thể đạt đƣợc là tốc độ quay cao. Tuy nhiên điều này đã không thể
thực hiện đƣợc vào lúc đó. Nghiên cứu cơ bản của Salomon cho thấy rằng có một
phạm vi nhất định cắt tốc độ, nơi không thể gia công thực hiện do quá mức nhiệt
độ cao. Vì lý do này, cắt cao tốc gia công cũng có thể đƣợc gọi là tốc độ cắt vƣợt
quá giới hạn đó. Với hiện đại kiến thức, Viện ptw (Production engineering and
Machine tools) xác định tốc độ cao gia công nhƣ là cắt với tốc độ vƣợt quá tốc độ
thông thƣờng từ 5 đến 10 lần.
Vào năm 1977, lần đầu tiên tốc độ cắt cho máy phay có tốc độ lên tới 1.980
m/phút. Các xét nghiệm cũng cho thấy chất lƣợng bề mặt đƣợc cải thiện, tăng
đáng kể với việc tăng tốc độ cắt. Một kết quả quan trọng của các xét nghiệm này
là ở tốc độ cao cắt nhiệt sinh ra trong quá trình gia công phần lớn sẽ truyền vào
phoi. Năm 1979, Không quân Mỹ bắt đầu một chƣơng trình nghiên cứu toàn diện
sự hợp tác với General Electric để điều tra cơ bản có hiệu lực mối quan hệ và
kiểm tra các cơ hội tích hợp tốc độ cao vào công nghiệp gia công ứng dụng. Nó đã
đƣợc tìm thấy rằng cắt tối ƣu phạm vi tốc độ trong các hợp kim nhôm gia công
khoảng 1.500 và 4.500 m/phút.
Kỹ thuật gia công là nền cơ bản để phát triển tất cả các thiết bị liên quan đến

quá trình cắt cao tốc. Điều này nói lên kỹ thuật gia công vật liệu đặc thù không chỉ
ảnh hƣởng đến sự phát triển của dao cụ mà còn là cách đặc biệt để thiết kế các
thiết bị trong máy công cụ cũng nhƣ bản chất đặc biệt của quá trình gia công.
1.2 Định nghĩa về gia công cao tốc
Thật ra có nhiều cách khác nhau để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các
yếu tố sau:
 Gia công với tốc độ cắt cao
 Gia công với tốc độ quay của trục chính cao.
 Gia công với lƣợng ăn dao cao.
 Gia công với tốc độ cắt cao và lƣợng ăn dao cao.

14


 Gia công với năng suất cao.
Tóm lại việc định nghĩa về HSM không đơn giản, nó dựa vào vật liệu gia
công, phƣơng pháp gia công, dao cắt... Vì vậy việc định nghĩa về HSM phụ thuộc
vào kỹ thuật hiện hành.Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao
tốc khác nhau .

Hình 1.2. Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu
Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy
cao (high spindle speed), lƣợng ăn dao lớn (high feed), hệ điều khiển CNC cao
cấp và hơn thế nữa. Tốc độ trục chính khoảng 8000(vòng/phút) có thể là điểm
khởi đầu cho gia công cao tốc. Trong thực tế, tốc độ cao nhất cho gia công cao tốc
trên các máy công cụ ngày càng tăng, lên đến 60.000 (vòng/phút) và hơn thế nữa.
Tốc độ ăn dao trung bình ít nhất là 10 (m/s) trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên
đến 40 (m/phút) và cao hơn, công suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW.
Xem xét một cách toàn diện thì HSM hứa hẹn một thị trƣờng mới, vì gia công
cao tốc không chỉ làm giảm lực cắt, tăng chất lƣợng bề mặt. Tuy nhiên tuổi bền

của dao lại giảm đi khi tăng tốc độ cắt, vì vậy cần phải nghiên cứu để phát triển về
dụng cụ dùng trong cắt cao tốc.

15


Big cutting volume

Surface quality

Cuting forces (N)
Tool life(min)
0

v(m/min)

Hình 1.3. Tổng quan của gia công cao tốc
Kỹ thuật gia công là nền cơ bản để phát triển tất cả các thiết bị liên quan đến
quá trình cắt cao tốc. Điều này nói lên kỹ thuật gia công vật liệu đặc thù không chỉ
ảnh hƣởng đến sự phát triển của dao cụ mà còn là cách đặc biệt để thiết kế các
thiết bị trong máy công cụ cũng nhƣ bản chất đặc biệt của quá trình gia công.

Hình 1.4. Mối liên hệ giữa kỹ thuật gia công và máy công cụ
1.3 Dụng cụ cắt.
Trong gia công cao tốc thì sự mòn của dụng cụ cắt là vấn đề rất cần sự lƣu
tâm, nó quyết định đến tuổi bền của dao.

16

Hình 1.5. Kiểu mòn trên dao tiện và mũi khoan trong phay cao tốc

.
Hình 1.6. Kiểu mòn trên dao phay ngón trong phay cao tốc
Ngoài ra ta thấy vật liệu dụng cụ cắt có ảnh hƣởng quan trọng đến độ nhám bề
mặt. Trong số những dụng cụ cắt đƣợc dùng gia công vật đúc, và những thép hợp
kim, cacbit là loại vật liệu dụng cụ cắt phổ biến nhất. Dụng cụ cắt trong phay cao

17


tốc có tuổi thọ ngắn nhất là cacbit, tuy nhiên nó có thể áp dụng cho gia công vật
liệu mềm. Những dụng cụ cacbit có một độ dẻo dai cao nhƣng độ cứng kém hơn
so với những vật liệu cao cấp nhƣ nitril bo (CBN) và gốm sứ. Để cải thiện độ
cứng dụng cụ cacbit đƣợc phủ lên với lớp mạ cứng nhƣ TiN, TiAlN và TiCN, và
mới đây với phủ 2 lớp phủ mềm nhƣ MOVIC. Do đó dụng cụ sẽ mòn ít hơn và vì
vậy tuổi bền dao đƣợc tăng lên.

Hình 1.7. Ảnh hưởng của các lớp phủ vật liệu dụng cụ khác nhau lên
tuổi bền của dụng cụ cắt.
Vật liệu dụng cụ cắt khác đƣợc dùng; gốm, sứ (AlO, SiN), gốm kim loại và
kim cƣơng đa tinh thể (PCD).
Nói chung, những dụng cụ có đƣờng kính hạn chế từ 0.5 đến 1.5 in, những
dụng cụ gắn cacbit với lớp phủ TiCN thì đủ cho vật liệu ít hơn 42 HRC, trong khi
phủ AlTiN đƣợc sử dụng cho vật liệu 42 HRC và lớn hơn. Tuy nhiên, phụ thuộc
vào ứng dụng, vật liệu và lớp phủ cho hiệu quả tốt nhất khác nhau. Những thuộc
tính của vật liệu dụng cụ cắt đƣợc cho trong Bảng 1.1 ứng dụng cắt cao tốc cho
những vật liệu dụng cụ và phủ nhƣ vậy có thể đƣợc phân loại nhƣ: CBN và SiN
cho gang, TiN và TiCN phủ lên cacbit cho hợp kim thép dƣới 42 HRC và TiN và
TiCN phủ lên cacbit cho hợp kimtôi luyện tới 42 HRC, TiAlN và AlTiN phủ lên

cácbit chohợp kim thép tôi luyện 42 HRC và hơn. những ứng dụng đặc biệt,đặc

18


biệt khó khăn khi tiện (HRC 60± 65), PCBN gắn vào lƣỡi cắt thích hợp cũng đƣợc
sử dụng một cách thành công. Ngoài ra hầu hết hình dáng hình học của dụng cụ
cắt đều có thể dùng trong gia công cao tốc.
Bảng 1.1. Thuộc tính của những vật liệu cắt và lớp phủ cao cấp.

Hình 1.8. Dụng cụ dùng trong phay cao tốc
1.4 Hình thành phoi.
Với nhiều thí nghiệm trên hợp kim nhôm với nhiều vận tốc cắt khác nhau (từ
20÷260 m/s). Reza Yousefi và Yoshio Ichida đã chỉ ra rằng bề ngoài phoi thay đổi
từ phoi dây dài đến dải bị nhàu khi tăng vận tốc cắt. Khi vận tốc cắt tăng trên 200
m/s thì phoi sẽ bị nhàu vì chúng rất mỏng.

19


Hình 1.9. Phoi sinh ra từ những vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vòng, t = 100µm)

20


Từ sự quan sát phoi thoát ra, cũng dễ nhận thấy rằng bề dày của phoi cũng
thay đổi khi tăng vận tốc cắt. Trong khoảng vận tốc cắt v (100÷200 m/s), bề dày
phoi sẽ giảm, rồi sau đó sẽ tăng lại khi tăng v.

Hình 1.10. Bề dày phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vòng, t =

100µm)
Những thí nghiệm khác của các tác giả S.Dolinsek, S.Ekinovic, J.Kopac trên
thép cứng trong gia công cao tốc đã cho những kết quả sau đây:

Hình 1.11. Hình thái của phoi nhận được trong vùng gia công thông thường và
gia công cao tốc.

21


Khi tốc độ cắt vc = 50 m/phút, cấu trúc tế vi của vật liệu phụ thuộc vào loại
biến dạng cổ điển với việc tinh thể kim loại bị giãn dài đồng đều. Nhƣng với sự xuất
hiện của vùng trắng ở mặt trong của phoi. Đó là hậu quả của hóa mềm của vật liệu
vì nhiệt. Độ cứng tế vi trung bình là 660 HV, nó có mối liên hệ với độ cứng tế vi
ban đầu của vật liệu (629 HV), chứng tỏ rằng biến dạng ở mức thấp.

Hình 1.12. Mặt cắt của việc hình thành phoi trong gia công khi cắt tại: a, vận tốc
cắt v = 150 m/phút; b, v = 300 m/phút; c, v = 1500 m/phút.
Tại vận tốc cắt v = 150 m/phút, phoi là phoi xếp với kiểu dáng hình răng cƣa
(hình 1.12a). ta nhìn thấy rõ vùng trắng ở cả mặt trong của phoi và giữa các răng
cƣa. Do đó sự xuất hiện của hóa mềm vì nhiệt và biến dạng xảy ra. Độ cứng tế vi
của vùng trắng này là 756 HV. Tuy nhiên, bên trong vùng không biến dạng của phoi
thì độ cứng tế vi chỉ có 632 HV, nó chỉ ra hoàn toàn không có sự biến dạng tại đây

22


so với tình trạng vật liệu ban đầu. Nhƣ vậy trung bình là 62% diện tích phoi xếp bị
biến dạng.
Khi v = 300 m/phút, phoi phân đoạn rõ hơn, với bề dày mỏng và kích thƣớc

bé hơn so với 2 dạng phoi tại 2 vận tốc cắt đã đề cập trƣớc. Do đó bề dày của vùng
trắng nhỏ đi và độ cứng tế vi trung bình đạt 742 HV. Tại bên trong phoi thì độ cứng
là 640 HV. Ở trƣờng hợp này, trung bình khoảng 40% diện tích phoi xếp bị biến
dạng.
Tại v = 1500 m/phút, sự phân đoạn của phoi rất rõ ràng, với bề dày mỏng và
độ lớn nhỏ. Bề dày của vùng trắng nhỏ đi so với khi vận tốc thấp hơn. Độ cứng tế vi
là 720 HV, còn bên trong thì đạt 618 HV. Cuối cùng, trung bình khoảng 33% diện
tích phoi xếp bị biến dạng.

Hình 1.13. Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng khi thay đổi vận
tốc cắt.
1.5 Lực cắt.
Đầu tiên lực cắt sẽ tăng khi ta tăng vận tốc cắt nhƣng đến một giá trị lớn nhất
nó sẽ bắt đầu giảm khi ta tiếp tục tăng vận tốc cắt. Sở dĩ lực cắt cao tại vận tốc cắt
thấp là do quá trình hình thành lẹo dao, còn khi cắt tốc độ cao thì lực cắt giảm do
kích cỡ của lẹo dao giảm đi và do sự hóa mềm của vật liệu gia công. Tuy nhiên
cũng đã có một số nghiên cứu về lực cắt và chỉ ra rằng trong một số trƣờng hợp
lực cắt sẽ giảm đến mức nhỏ nhất rồi sẽ bắt đầu tăng lên khi ta tiếp tục tăng vận
tốc cắt.

23


Hình 1.14. Nhờ phay cao tốc mà khi gia công thành mỏng không bị uốn cong
vì lực cắt nhỏ so với phương pháp truyền thống.

Hình 1.15. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt

24

1.6 Nhiệt cắt.
Trong quá trình cắt, thì nhiệt cắt sinh ra chủ yếu truyền vào phoi, một phần
nhỏ truyền vào dao và truyền vào chi tiết gia công.

Hình 1.16. Các vùng nhiệt cắt khác trong quá trình cắt vuông góc.
Nhiệt cắt sẽ tăng khi vận tốc cắt tăng và nó sẽ không giảm khi vận tốc cắt tiếp
tục tăng nhƣ dự đoán nổi tiếng của Salomon (mục 1.1/hình 1.17a). Ông J.F.Mc
Gee đã chỉ ra một ví dụ khi cắt nhôm là: Nhiệt cắt nhôm sẽ tăng khi ta tăng vận
tốc cắt cho đến khi tới nhiệt độ nóng chảy của nhôm (hình 1.17b)

25