Nghiên cứu, khảo sát lực cắt theo quỹ đạo chạy dao khi gia công khuôn đúc phao nhựa trên máy phay CNC

VÕăĐÌNHăTRUNG

Đ I H CăĐĨăN NG
TR
NGăĐ I H C BÁCH KHOA
---------------------------------------

VÕăĐÌNHăTRUNG

CHUYÊN NGÀNH: K THU TăC ăKHệă

NGHIÊN C U, KH O SÁT L C C T THEO
QU Đ O CH Y DAO KHI GIA CÔNG KHUÔN
ĐÚC PHAO NH A TRÊN MÁY PHAY CNC

LU NăVĔNăTH CăSƾ
K THU TăC ăKHệ

KHÓA: K34

ĐƠăN ng ậ Nĕmă2018


2

n

Đ I H CăĐĨăN NG
TR
NGăĐ I H C BÁCH KHOA
---------------------------------------

VÕ ĐÌNHăTRUNG

NGHIÊN C U, KH O SÁT L C C T THEO
QU Đ O CH Y DAO KHI GIA CÔNG KHUÔN
ĐÚC PHAO NH A TRÊN MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành: K THU TăC ăKHệ

Mã số: 8.52.01.03

LU NăVĔNăTH CăSƾ

Ngư iăhướng d n khoa học: PGS.TS. TR N XUÂN TÙY

ĐƠăN ng ậ Nĕmă2018


L IăCAMăĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết qu nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tác gi lu năvĕn

VõăĐìnhăTrung


M CL C
TÓM T T ........................................................................................................................
NGHIÊN C U, KH O SÁT L C C T THEO QU Đ O CH Y DAO KHI

GIAăCỌNGăKHUỌNăĐÚCăPHAOăNH A TRÊN MÁY PHAY CNC ......................
M

Đ U ......................................................................................................................... 1

1.Lý do ch năđ tài......................................................................................................... 1
2.M căđíchănghiênăc u .................................................................................................. 1
3.Ph m vi và n i dung nghiên c u ............................................................................... 1
4.Ph

ngăphápănghiênăc u ........................................................................................... 1

5.ụănghƿaăkhoaăh c và th c ti n ................................................................................... 2
6.C u trúc lu năvĕn ....................................................................................................... 2
Ch

ngă1. TỔNG QUAN V L C C TăTRONGăGIAăCỌNGăC

....................... 3

1.1.ăĐặt v năđ ................................................................................................................ 3
1.2. Phân tích các thành ph n l c c t. ......................................................................... 4
1.2.1. Phân tích lực cắt theo các phương chuyển động ................................................ 4
1.2.2. Phân tích lực cắt theo các mặt chịu t i. .............................................................. 5
1.3. Cácăph

ngăphápăxácăđ nh l c c t. ...................................................................... 5

1.3.1. Phương pháp đo trực tiếp lực cắt. ....................................................................... 6
1.3.2. Phương pháp đo lực cắt thông qua đo công suất. .............................................. 6

1.3.3. Xác định lực cắt bằng phương pháp tính. ........................................................... 7
1.3.3.1. Tính toán lực cắt bằng nghiên cứu lý thuyết. ..................................................... 7
1.3.3.2. Tính toán lực cắt bằng công thức thực nghiệm. ................................................. 9
1.4. Các y u tố nhăh

ngăđ n l c c t. ...................................................................... 10

1.4.1. nh hưởng của chi tiết gia công đến lực cắt. ................................................... 10
1.4.2. nh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt.......................................................... 11
1.4.2.1. nh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt. ..................................................... 12
1.4.2.2. nh hưởng của lượng ch y dao s đến lực cắt. ................................................. 12
1.4.2.3. nh hưởng của tốc độ cắt v đến lực cắt. .......................................................... 13
1.4.3. nh hưởng của dụng cụ cắt đến lực cắt. .......................................................... 13
1.4. K t lu n. ................................................................................................................ 13


Ch

ngă2 . TỔNG QUAN V CÔNG NGH CAD/CAM/CNC ............................ 15

2.1. Khái ni m v máy công c CNC ........................................................................ 15
2.1.1. Các đặc trưng của máy CNC ............................................................................. 15
2.1.2. Các phương pháp lập trình CNC....................................................................... 16
2.1.2.1. Lập trình bằng tay (Lập trình thủ công).......................................................... 16
2.1.2.2. Lập trình bằng máy (Lập trình tự động). ........................................................ 16
2.2. Công ngh CAD/CAM ......................................................................................... 17
2.2.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 17
2.2.2. Đối tượng phục vụ của CAD/CAM. ................................................................... 18
2.2.3. Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ s n xuất. ................................................. 20
2.2.4. Giới thiệu về phần mềm CIMATRON: .............................................................. 21

2.2.4.1. Thiết kế ............................................................................................................. 21
2.2.4.2. Dựng b n vẽ...................................................................................................... 22
2.2.4.3. Trong lĩnh vực tính toán phân tích ................................................................... 22
2.2.4.4. Gia công ........................................................................................................... 24
2.3.K t lu n .................................................................................................................. 25
Ch ngă3 . KH O SÁT TH C NGHI M L C C T THEO QU Đ O CH Y
DAO .............................................................................................................................. 26
3.1.Yêu c uăđối v i h thống th c nghi m ................................................................ 26
3.2.Mô hình th c nghi m ............................................................................................ 26
3.3.Thi t b thí nghi m ................................................................................................ 27
3.3.1.Máy ....................................................................................................................... 27
3.3.3. Phôi gia công ...................................................................................................... 28
3.3.4. Thiết bị đo lực cắt khi phay FKM2000–TeLC .................................................. 29
3.3.5. Phần mềm thu thập và xử lý tín hiệu đo ........................................................... 29
3.4.Ti n hành th c nghi m kh o sát nhăh

ng qu đ oădaoăđ n l c c t ............. 30

3.4.1. Chế độ cắt thí nghiệm......................................................................................... 30
3.4.2. Lựa chọn quỹ đ o ch y dao ............................................................................... 30
3.4.3. Chọn biên d ng điển hình .................................................................................. 31
3.4.3.1. Biên d ng chỏm cầu – Quỹ đ o Spiral ( xoắn ốc)............................................ 33


3.4.3.4. Biên d ng chỏm cầu – Quỹ đ o Parallel ( zig- zag) ........................................ 37
3.4.3.1. Biên d ng hốc chữ nhật – Quỹ đ o Parallel ( Zig-Zag) ................................. 42
3.5.K t lu n .................................................................................................................. 51
K T LU NăVĨăH

NG PHÁT TRI NăĐ TÀI................................................... 52

1.K T LU N ............................................................................................................... 52
2.H

NG PHÁT TRI NăĐ TÀI ............................................................................ 52


TÓM T T
NGHIÊN C U, KH O SÁT L C C T THEO QU Đ O CH Y DAO KHI
GIA CÔNG KHUÔN ĐÚC PHAO NH A TRÊN MÁY PHAY CNC
Họcăviên:ăVõăĐìnhăTrung.

Chuyênăngành:ăKỹăthu tăcơăkhíă

Mã số: 8.52.01.03.

Trư ngăĐ i học Bách khoa ậ ĐHĐN

Khóa:34

Tóm t t: Việc nghiên c u lực cắtătrongăquáătrìnhăgiaăcôngăcơăcóăýănghƿaăc về lý
thuyết l n thực tiễn.
Quá trình gia công phay là tổng hợp c a nhiều yếu tố công nghệ. Trongăđóălực
cắt là yếu tố chính nhăhư ng trực tiếpăđến công suất thiết bị, tuổi thọ thiết bị,ăđộ c ng
vững c a hệ thống công nghệ, tuổi bền c aădao…
Để có thể đáp ng các yếu cầu trên, nhiều nghiên c u lý thuyếtăcũngănhưăthực
nghiệm về các yếu tố nh hư ngăđến lực cắtăđãăđược thực hiệnănhưă nhăhư ng c a chế
độ cắt, v t liệu gia công, thông số hình học c a dụng cụ cắt….
Tuy nhiên việc nghiên c u và kh o sát sự thayă đổi lực cắt theo các d ng quỹ
đ o ch y dao hầuănhưăchưaăcó. Đề tài giới thiệu phươngăphápăđoălực cắt khi gia công

phay thô trongăđiều kiện thí nghiệm cụ thể với 2 d ng quỹ đ o ch y dao là Parallel và
Spiral trên chi tiết thép CT38 bằng dao phay ngón hợpăkimă4ălưỡi cắt trên máy phay
CNC 3 trục MATSUURA-MC500V bằng thiết bị đoălực cắt FKM2000ậTeLC.
Từ kết qu thí nghiệm, thông qua việc thống kê, kh o sát và phân tích số liệu
thu th pă được có thể thấyă được ưuă vàă nhượcă điểm c a từng d ng quỹ đ o ch y dao
khác nhau. Từ đóăcó thể lựa chọn d ng quỹ đ o ch y dao hợp lý nhấtăđể vừaătĕngănĕngă
suất gia công vừaăđ m b oăđộ c ng vững c a hệ thống công nghệ.


STUDY AND INVESTIGATE THE CUTTING FORCE UNDER THE
CUTTING TOOL TRAJECTORY WHEN MAKING PLASTIC INJECTION
MOLDING ON CNC MILLING MACHINE
Abstracts: Study of cutting force in mechanical processing has both theoretical and
practical significance.
The milling process is a synthesis of many technological elements. Cutting
force is the main factor that directly affects the equipment capacity, equipment life,
hardness of the technological system, the life of cutting tools.
In order to meet these needs, many empirical and theoretical studies on the
factors that influence shear force have been performed such as the effect of cutting
mode, machining material, geometric parameters of cutting tools…
However, the study and investigation of the change in cutting force in the
orbital forms of cutting tools is almost nonexistent. The subject introduces the method
of cutting force during rough milling in experimental conditions with two types of
cutting tool trajectories: Parallel and Spiral on the CT38 steel parts with the four-blade
alloy milling cutter on the milling machine. CNC 3 axis MATSUURA-MC500V with
FKM2000-TeLC force measuring device.
From the results of the experiment, through the statistics, survey and analysis
of data collected can see the pros and cons of each type of cutting tool trajectory. From
there, it is possible to select the most appropriate trajectory to maximize machining
efficiency while maintaining the rigidity of the technology system

DANH M C CÁC B NG
B ng 3.1. B ng tổng hợp giá trị lực cắt lớn nhất của các lực thành phần ................... 38
B ng 3.2. B ng tổng hợp giá trị lực cắt lớn nhất của các lực thành phần ................... 48


DANH M C CÁC HÌNH
Hình 1.1- Sơ đồ nguồn gốc của lực cắt ........................................................................... 3
Hình 1.2 - Sơ đồ các lực cắt khi phay ............................................................................. 4
Hình 1.3 - Vòng tròn xác định lực trên các mặt chịu t i ................................................. 5
ảình 3.1. Sơ đồ nguyên lý đo lực cắt khi phay .............................................................. 26
Hình 3.2 . Máy phay MATSUURA-MC500V................................................................. 27
Hình 3.3 . Hình nh dao phay ngón .............................................................................. 28
Hình 3.4. Thiết bị đo lực cắt trong gia công phay FKM2000–TeLC ........................... 29
Hình 3.5. Giao diện phần mềm XKM ........................................................................... 30
Hình 3.6 . Hình nh phao nhựa .................................................................................... 31
Hình 3.7 . Biên d ng chõm cầu .................................................................................... 31
Hình 3.8 . Biên d ng chõm cầu .................................................................................... 32
Hình 3.9. Biên d ng hốc chữ nhật ................................................................................ 32
Hình 3.10 . Quỹ đ o Spiral khi thiết kế ........................................................................ 33
Hình 3.12 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 2 lớp cắt .................................................... 34
ảình 3.13 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 1 lớp cắt ..................................................... 34
ảình 3.14 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 2 lớp cắt .................................................. 35
ảình 3.15 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 1 lớp cắt ................................................ 35
ảình 3.16 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 2 lớp cắt ...................................................... 36
ảình 3.17 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 1 lớp cắt ...................................................... 36
Hình 3.18 . Quỹ đ o Parallel khi thiết kế ..................................................................... 37
Hình 3.19 . Quỹ đ o Parallel khi gia công thực .......................................................... 37
ảình 3.20 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 4 lớp cắt .................................................... 38

ảình 3.21 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 1 lớp cắt ..................................................... 38
ảình 3.22 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 1 lớp cắt ................................................ 39
ảình 3.23 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 4 lớp cắt ...................................................... 39
ảình 3.24 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 1 lớp cắt ...................................................... 40
Hình 3.25 . Quỹ đ o Parallel khi thiết kế ..................................................................... 42
Hình 3.26 . Quỹ đ o Parallel khi gia công thực .......................................................... 42
ảình 3.27 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 2 lớp cắt ..................................................... 43


ảình 3.28 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 1 lớp cắt ..................................................... 43
ảình 3.29 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 2 lớp cắt ................................................. 44
ảình 3.30 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 1 lớp cắt .................................................. 44
ảình 3.31 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 2 lớp cắt ...................................................... 45
ảình 3.32 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 1 lớp cắt ..................................................... 45
Hình 3.33 . Quỹ đ o Spiral khi thiết kế ........................................................................ 46
Hình 3.34 . Quỹ đ o Spiral khi gia công thực .............................................................. 46
ảình 3.35 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 2 lớp cắt .................................................... 47
ảình 3.36 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 1 lớp cắt ................................................... 47
ảình 3.37 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 2 lớp cắt ................................................. 48
ảình 3.38 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 1 lớp cắt ................................................. 48
ảình 3.39 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 2 lớp cắt .................................................... 49
Hình 3.40 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 1 lớp cắt ..................................................... 49


1

M

Đ U

1. Lý do ch năđ tài
Quá trình gia công phay là tổng hợp c a nhiều yếu tố công nghệ. Trongăđóălực
cắt là yếu tố chính nhăhư ng trực tiếpăđến công suất thiết bị, tuổi thọ thiết bị,ăđộ c ng
vững c a hệ thống công nghệ, tuổi bền c aădao…
Để có thể đáp ng các yếu cầu trên, nhiều nghiên c u lý thuyếtăcũngănhưăthực
nghiệm về các yếu tố nh hư ngăđến lực cắtăđãăđược thực hiệnănhưă nhăhư ng c a chế
độ cắt, v t liệu gia công, thông số hình học c a dụng cụ cắt….
Tuy nhiên việc nghiên c u và kh o sát sự thayă đổi lực cắt theo các d ng quỹ
đ o ch y dao hầuănhưăchưaăcó.ă
Doăđó,ăđề tài“ăNghiên c u, kh o sát l c c t theo qu đ o ch y dao khi gia
côngă khuônă đúcă phaoă nh a trên máy phay CNC ”ă được chọn làm lu nă vĕnă tốt
nghiệp.
2. M căđíchănghiênăc u
-

Đề tài nhằm nghiên c u, kh o sát sự thayăđổi lực cắt trong quá trình gia công
phay thô theo các d ng quỹ đ o ch y dao khác nhau vớiăcácăđiều kiện cắt gọt cụ
thể trên một biên d ng cụ thể. Góp phầnăđưaăraăphươngăánălựa chọn d ng quỹ
đ o ch y dao phù hợp nhất nhằmănângăcaoănĕngăsuấtănhưngăv năđ m b o tuổi
thọ thiết bị,ăđộ c ng vững c a hệ thống công nghệ, tuổi bền c a dao

-

Xây dựng và thiết l pă môă hìnhă đoă lực cắt theo th i gian thực trên máy phay
CNC

3. Ph m vi và n i dung nghiên c u
-

Nghiên c u lý thuyết về quá trình cắt gọt và lực cắtătrongăgiaăcôngăcơ.

-

Giới thiệu về công nghệ CAD/CAM/CNC

-

Xây dựng mô hình thực tế hệ thốngăđoălực cắt trên máy phay CNC.

-

Nghiên c u, kh o sát lực cắtăkhiăthayăđổi các d ng quỹ đ o ch y dao trong quá
trình phay thô bằng dao phay ngón trên một biên d ng cụ thể.

4. Ph

ngăphápănghiênăc u

Đề tài sử dụngăphươngăphápănghiênăc u lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:
-

Nghiên c u lý thuyếtăcơăs cắt gọt kim lo i,ăcơăs gia công trên máy CNC


2

-

Bằng việc thiết l p mô hình hệ thốngăđoă lực cắt thực tế có thể nghiên c u sự
thayăđổi lực cắt theo quỹ đ o ch y dao bằng các kh o sát thực nghiệm.

5. ụănghƿaăkhoaăh c và th c ti n
-

Thiết l pă đượcă môă hìnhă đoă lực cắt thực tế ng dụngă để đoă lực cắt trong qúa
trình gia công trên máy phay CNC.

-

Từ đóăcóăthể lựa chọnăphươngăánăch y dao hợp lý.

6. C u trúc lu năvĕn
Lu năvĕnăgồmă3ăchương:
-

Chươngă1ă:ăTổng quan về lực cắtătrongăgiaăcôngăcơ

-

Chươngă2ă:ăTổng quan vềăcôngănghệăCAD/ăCAM/CNC

-

Chươngă3ă:ăKh o sát thực nghiệm lực cắt theo quỹ đ o ch y dao


3

Ch

ngă1

TỔNG QUAN V L C C TăTRONGăGIAăCỌNGăC
1.1.ăĐặt v n đ
Trong quá trình cắt kim lo i, để tách được phoi và thắng được ma sát cần ph i
có lực. Lực sinh ra trong quá trình cắt là động lực cần thiết nhằm thực hiện quá trình
biến d ng và ma sát.
Việc nghiên c u lực cắt trong quá trình cắt kim lo iăcóăýănghƿaăc lý thuyết l n
thực tiễn. Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ
cắt, đồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị,...ăDưới tác dụng c a lực và nhiệt, dụng
cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ. Muốn hiểu được quy lu t mài mòn và phá huỷ dao thì ph i
hiểu được quy lu t tác động c a lực cắt. Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần ph i biết
lực cắt. Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt t o kh nĕngăchínhăxácăhoáălýăthuyết quá
trình cắt. Trong tr ng thái cân bằngănĕngălượng c a quá trình cắt thì các mối quan hệ
lực cắtăcũngăcânăbằng.
Lực cắt sinh ra khi cắt là một hiệnătượngăđộng lực học, t c là trong chu trình
th i gian gia công thì lực cắt không ph i là hằng số mà biếnăđổiătheoăquãngăđư ng c a
dụng cụ.
Theoăcơăhọc, nghiên c u về lựcănóiăchungălàăxácăđịnh 3 yếu tố:
 Điểmăđặt c a lực.

 Hướngă(phươngăvàăchiều) tác dụng c a lực.
 Giá trị (độ lớn) c a lực.

Trênăhìnhă1.1,ătrongătrư ng hợp cắt tự do, ta có:

Hình 1.1- Sơ đồ nguồn gốc của lực cắt


4

1.2. Phân tích các thành ph n l c c t.
Tuỳ thuộc vào mụcăđíchănghiênăc u, sử dụngăngư i ta có thể phân tích lực cắt
thành các thành phầnătươngă ng qua nhiềuăphươngăphápăkhácănhau.
1.2.1. Phân tích lực cắt theo các phương chuyển động
Hệ thống lực cắt khi phay được mô t trên hình 1.2. Lực cắt tổng P được phân
tích thành 3 thành phầnătheoă3ăphươngăchuyển động v, s và t c a chuyển động cắt: tiếp
tuyến, hướng kính và dọc trục.

Hình 1.2 - Sơ đồ các lực cắt khi phay
* Thành phần Pz hay Pv: nằmă theoă hướng chuyểnă độngă chínhă (hướng tốcă độ
cắt), thành phần này gọi là lực tiếp tuyến, lực cắt chính. Giá trị lực Pz cần thiếtăđể tính
toán công suất c a chuyểnăđộngăchính,ătínhăđộ bền c a dao, c a chi tiếtăcơăcấu chuyển
động chính và c a những chi tiết khác c a máy công cụ.
* Thành phần Px hay Ps: tác dụngăngượcăhướng ch y dao, gọi là lực ch y dao.
Thành phần này gọi là lựcăhướng kính có tác dụng làm cong dao. Biết lựcănàyăđể tính
độ bền c a dao trong chuyểnă động ch y dao, và công suất tiêu hao c aă cơăcấu ch y
dao.
* Thành phần Py hay Pt:ăhướng dọc trục gọi là lực dọc trục.

nhăhư ngăđếnăđộ

c ng vững c a máy và dụng cụ cắt.
Sauăkhiăxácăđịnhăđược các lực thành phần Px, Py và Pz , thì lực cắt tổngăPăđược
tính theo công th c:
⃗⃗⃗ = ⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗

√

1.1

Đâyălàăphươngăphápăphânătíchălực cắt phổ biến nhất, b iăvìăphươngăcácăchuyển
động cắtălàăhoànătoànăxácăđịnh nên việcăđoăcácăthànhăphần lực cắtăđược tiến hành dễ
dàng. Mặt khác từ v n tốc chuyểnăđộngătheoăcácăphươngăvàălực cắt thành phầnătươngă


5

ng theo các phươngăđóătaăcóăthể tínhăđược công suất cắt và rõ ràng nếuăxácăđịnhăđược
các lực thành phầnătaăcũngădễ dàngăxácăđịnhăđược giá trị lực cắt tổng.
1.2.2. Phân tích lực cắt theo các mặt chịu t i.
Khi nghiên c u b n chấtăđộng lực học c a quá trình cắt kim lo i, lực cắt còn
được phân tích thành các thành phần theo các mặt chịu t i.
Dựa vào lực cắt chính Pv và lực ch y dao Ps trong mô hình cắt tự doătrênăđâyă
xây dựng vòng tròn Thales, nh đóătaăvẽ vàăxácăđịnhăđược các lực:
* Trên mặtătrước dao: Lực ép trên mặtătrước dao N1 Lực ma sát trên mặtătrước dao F1
* Trên mặt sau dao: Lực ép trên mặt sau dao N2 Lực ma sát trên mặt sau dao F2
* Trên mặtătrượt: Lực tách phoi Pc Lực ép lên vùng cắt Pe

Hình 1.3 - Vòng tròn xác định lực trên các mặt chịu t i
1.3. Cácăph

ngăphápăxácăđ nh l c c t.

Để xácăđịnh lực cắt ta có thể dùng nhiềuăphươngăphápăsau:
 Phươngăphápăđoătrực tiếp.

 Phươngăphápăxácăđịnhăthôngăquaăđoăcôngăsuất cắt.
 Phươngăphápăb ng và biểuăđồ.

 Phươngăphápătínhătoánătheoăcôngăth c.


6

1.3.1. Phương pháp đo trực tiếp lực cắt.
Việcăđoălực cắtăđược tiến hành bằng cách dùng dụng cụ đoătrực tiếpăxácăđịnh
giá trị các thành phần lực cắtătheoăcácăphươngăchuyểnăđộng cắt.
Tuỳ thuộc vào cấu t o c a thiết bị đoălực ta có thể xácăđịnh lực cắtăquaăđộ lớn
t c th iăhayăđộ lớn cựcăđ i c a nó.
Thiết bị đoălực cắtăđược chế t oătrênăcơăs nhiềuănguyênălýăkhácănhau,ăđóălà:
- Theoănguyênălýăcơăhọc,
- Theo nguyên lý thuỷ khí,
- Theo hiệu ng về điện,
- Theo nguyên lý biến d ng dẻo.
- Theo nguyên lý kiểuăápăđiện
1.3.2. Phương pháp đo lực cắt thông qua đo công suất.
Lực cắt có thể xácăđịnhăthôngăquaăđoăcôngăsuất cắt. Ta có mối quan hệ giữa lực
P, tốcăđộ v và công suấtăNănhưăsau:

N=

hoặc:

với N theo KW, P theo N và v theo m/ph

N=

(1.2)

với N theo KW, P theo kG và v theo m/ph

Trong quá trình cắt gọt,ătaăđãăbiết lực cắt có thể được phân thành 3 thành phần
theoă3ăphươngăchuyểnăđộng v, s, t. Công suấtătươngă ng là:
Nv = Pv.v.K
Ns = Ps.vs.KăăăăătrongăđóăKălàăhệ số chuyểnăđổiăđơnăvị.
Nt = Pt.vt.K
Công suất cắt sẽ là:
Nc = N v + N s + N t

(1.3)

Thực tế ta có: khi cắt vt = 0 nên Nt = 0
v >> vs và Pv >> Ps
Một cách gầnăđúng,ăđể đơnăgi n trong tính toán ta có thể xemănhư:
Nc = Nv = Pv.v.K

(1.4)


7

Mặt khác, khi cắt công suất c aăđộngăcơăs n sinh ra một phầnăđể thực hiện việc
cắt gọt (Nc), một phầnăđể thắng ma sát và lực c năquánătínhătrongăđộngăcơăvàămáyă(cóă
thể gọi là công suất ch y không t i Nck,ătươngă ng với hiệu suất c a máy ).

Nhưăv y nếu m máyă nhưngăkhôngăcắt thì công suấtăđoăđược từ độngăcơăs n
sinh ra sẽ là công suất tổn thất hay công suất ch y không Nck. Khi thực hiện việc cắt
gọt thì công suấtăđoăđược từ độngăcơăsẽ bao gồm công suất cắt Nc và công suất ch y
không Nck.

Ta có:
Nđc = Nc + Nck suy ra: Nc = Ndc - Nck = Pv.v. K

(1.5)

Do v y từ việcăđoăcôngăsuất ta có:
Pv =

(1.6)

1.3.3. Xác định lực cắt bằng phương pháp tính.
Xácăđịnh lực cắt bằngăphươngăphápătínhătoánăđãăđược rất nhiều nhà nghiên c u
quan tâm thực hiện trongăhơnămột thế kỷ quaăvàăđãăđ tăđược rất nhiều kết qu quan
trọng.
Việc tính toán lực cắtănóiăchungăđược tiếnăhànhătheoă2ăhướng:
- Tính toán lực cắt bằng nghiên c u lý thuyết.
- Tính toán lực cắt bằng những công th c thực nghiệm.
1.3.3.1. Tính toán lực cắt bằng nghiên cứu lý thuyết.
Qua nghiên c u lý thuyết về cơăhọc và biến d ng trong quá trính tách phoi và
hình thành bề mặt gia công các nhà nghiên c uăđãăthiết l p các công th c tính toán lực
cắt. Các nghiên c u này thực hiệnătheoă2ăphươngăphápăphânătích:
a. Phương pháp dựa trên cơ sở phân tích về cơ học quá trình cắt.

Thực hiện nghiên c u qui lu t xuất hiện mặtătrượt OM (thông qua góc tách phoi

), nghiên c u ng lực sinh ra khi tách phoi với diện tích thiết diện phoi cắt xác định
và từ tính chấtăcơăhọc c a v t liệu chi tiếtăgiaăcôngăngướiătaăđãăxácăđịnhăđược lực cần
thiếtăđể táchăđược mộtăđơnăvị diện tích phoi cắt (tính cho 1mm2), lựcănàyăđược gọi là
lực cắtăđơnăvị, ký hiệuălàăp,ăđơnăvị tính là N/mm2.

8

Kết qu nghiên c u c a phần lớn các nhà khoa học cho ta công th c tính lực cắt
đơnăvị pănhưăsau:
(1.7)

Trongăđó:ă

c là ng suất cắt sinh ra trong mặtătrượt OM, [N/mm2],

 là góc giữ phươngătrượtăvàăphươngălực tác dụngăđối với một
lo i

v t liệuăxácăđịnh, phụ thuộc vào v t liệu gia công,

1 là góc tách phoi.

Lực cắtăđược tính theo công th c sau:
P = p.q
Trongăđó:

[N]

(1.8)

q là diện tích tiết diện lớp cắtăđược tách ra.

Ta có: q = s.t = atb.b [mm2]

(1.9)

b. Phương pháp dựa trên cơ sở phân tích về biến d ng.

Hình 1.4 - Sơ đồ lực tác dụng trên phoi cắt
Nghiên c u quá trình t o phoi khi cắt, qua phân tích biến d ng lớp cắt khi các
phần tử kim lo i phoi cắt di chuyển theo mặtătrước c aădaoăthìătrongăphươngătrượt xuất
hiện ng suất cắt và ng suất nén. Tổng các ng suất này t i mặtătrượtăOMăđược thể
hiện bằng các lực Pc và Pe trên hình 1.4. Trong quá trình phoi dịch chuyểnătrượt trên
mặtătrước dao sẽ chịu tác dụng c a áp lực pháp N và lực ma sát F .
Theo lý thuyết cân bằng lực thì tổng lực tác dụng vào phần tử phoi cắt ph i
bằng không:


9

(1.10)
Chiếu hệ lực này trên hai trục c a hệ to độ XOY trên hình 1.4, ta có:

Ta có trên mặtătrước dao: F = N

(1.11)

Từ quanăđiểm biến d ng kim lo i trên mặtătrượt, ta có thể xácăđịnh:
(1.12)
Trongăđóăc là ng suất cắt sinh ra trong mặtătrượt OM, [N/mm2],
Từ đóătaăcóăthể tínhăđược:

(1.13)
Với K là hệ số co rút phoi, sau khi biếnăđổi lựcăNăđượcătínhănhưăsau:

(1.14)
Taăcũngăcóăthể tínhăđược các thành phần Pe vàăFătươngă ng.
1.3.3.2. Tính toán lực cắt bằng công thức thực nghiệm.
Dựa vào các kết qu thực nghiệm khi nghiên c u về cắt gọt, ta xây dựng nên
các công th c tính toán lực cắt. Công th c thực nghiệm tính toán lực cắtăcũngăđược
thiết l pătheoă2ăphươngăpháp.
a. Phương pháp dựa vào lực cắt đơn vị và diện tích tiết diện phoi cắt.

Ta có lực cắt P theo lực cắtăđơnăvị và diện tích phoi cắtănhưăsau:ă
P = p.q [N]
Trongăđó:ă

(1.15)

q là diện tích tiết diện phoi cắt.
p là lực cắtăđơnăvị, là hằng số phụ thuộc vào v t liệu gia công.

Theo các nhà nghiên c u về cắt gọt thì lực cắtă đơnăvị p có thể biểu diễn gần

đúngătrongămối quan hệ vớiăđộ bền b c a v t liệu (nếu là v t liệu dẻo) hoặcăđộ c ng
HB c a v t liệu (nếu là v t liệu dòn).
Thực tế khi cắt với dao mộtălưỡi cắt, từ thực nghiệm ta có:
p = (2,5 ậ 4,5)b đối với v t liệu dẻo.
p = (0,5 ậ 1,0)HBăđối với v t liệu dòn


10

Trongăđóăgiáătrị hệ số nhỏ dùng khi cắt với chiều dày cắt a lớnăvàăngược l i.

Để thu n tiện cho việc tra c u khi tính toán lực cắt, trong các sổ tay cắt gọt
ngư i taăthư ng cho lực cắtăđơnăvị dưới d ngăcácăđồ thị quan hệ: p = f(atb).
b. Phương pháp thiết lập công thức thực nghiệm d ng hàm mũ.

Công th c thực nghiệm tính toán lực cắtă được xây dựngă trênă cơă s kh o sát
bằng thực nghiệm m căđộ nhăhư ng c a các yếu tố cắt gọtăđến lực cắt. Bằng các
kết qu thực nghiệmăthuăđược thông qua thống kê xử lý số liệu ta nh năđược công
th c thực nghiệm.
Nhiều nhà nghiên c uă đãă đề xuất công th c tính toán lực cắtă dưới d ng hàm
mũăđối với các yếu tố cắt gọt chính:
(1.16)
Trongăđó:ă

Cp là hằng số lực cắt;
xp, yp, zp là các số mũ;ă
Kp

là hệ số điều chỉnhăđượcăxácăđịnh từ thực nghiệm cắt gọt.

1.4. Các y u tố nhăh

ngăđ n l c c t.

Trong cắt gọt kim lo i, yếu tố cắt gọt nhăhư ngăđếnăđộ lớn lực cắt có rất nhiều,
để tiện kh o sát và nghiên c u ta có thể phân chúng thành 3 nhóm:
1.4.1. nh hưởng của chi tiết gia công đến lực cắt.
B n chất biến d ng và ma sát c a quá trình cắt kim lo i cho ta thấy rằng: chi tiết
gia công có nhăhư ng lớnăđến quá trính cắt,ăđặc biệtăđến lực cắt.
Thực nghiệm ghi nh n chi tiết gia công nhăhư ngăđến lực cắt b i các yếu tố
sau:

* Độ bền, độ cứng của vật liệu,
* Thành phần hoá học,
* Cấu trúc kim lo i của vật liệu,
* Phương pháp chế t o phôi…
Thực tế nếu tiến hành kh o sát nhăhư ng c a từng yếu tố trênăđến lực cắt thì
rất ph c t pă vàă khóă khĕn;ă doă v y trong các công th c thực nghiệm tính toán lực cắt
ngư i ta biểu thị m căđộ nhăhư ng c a v t liệu cụ thể đến lực cắt trong điều kiện cắt


11

gọtăxácăđịnh bằngăđộ lớn lực cần thiếtăđể tách 1mm2 diện tích tiết diện phoi cắt khỏi
chi tiếtăgiaăcông.ăTheoăphânătíchătrênăđâyăchínhălàălực cắtăđơnăvị p.
Tuy v yăđối với một lo i v t liệu thì p còn phụ thuộc vào chiều dày cắt a. Vì
v yăđể phân biệt trong kh o sát trong công th c kinh nghiệm: Lực cắtăđơnăvị păđược
địnhănghƿaălàălực cần thiếtăđể tách một lớp phoi tiết diện 1mm2 có chiều dày trung bình
atb=1mm và chiều rộngăb=1mmătrongăđiều kiện dao tiêu chuẩn.
Nhưă v y lực cắtă đơnă vị đặc trưngă choă một lo i v t liệuă xácă địnhă được gọi là
hằng số lực cắt,ăthư ng ký hiệu là Cp.
Xét thành phần lực Pv, ta có:
Cpv = Pv =ăpătrongăđiều kiện a=1mm. B=1mm và dao tiêu chuẩn
Ta có nh n xét:
 Khi v t liệuăcóăđộ bền hoặcăđộ c ng càng cao thì lực cắt càng lớn b i vì công
thực hiện biến d ngăcũngănhưăthắng ma sát càng ph i lớn.

 Lực cắt cần thiếtăđể cắt gang (v t liệu dòn) nhỏ hơnăkhiăcắt thép (v t liệu dẻo)
b i vì khi cắt gang công biến d ng nhỏ và hệ số ma sát c aăgangăcũngănhỏ hơnă
c a thép
1.4.2. nh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt.
Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố nhưăchế độ cắtăv,ăs,ăt;ăđộ c ng vững c a

hệ thống công nghệ;ăcóăhayăkhôngătưới dung dịchătrơnănguội vào vùng cắt…

đâyătaă

chỉ kh o sát nhăhư ng c a chế độ cắtăđến lực cắt.
Kh o sát nhăhư ng c a các thông số v,ăs,ătăđến lực cắt trong quá trình cắt. Sử
dụng nguyên lý cộng tác dụng, khi nghiên c u nhăhư ng c a một thông số nàoăđó,ă
trong thí nghiệm ta cho tất c các yếu tố khácăkhôngăthayăđổi và chỉ cho yếu tố đangă
xétăthayăđổi,ăsauăđóătổng hợp l i ta nh năđược nhăhư ngăđồng th i c a các yếu tố xét
đến lực cắt.


12

1.4.2.1. nh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt.
Vì chiều rộng cắt b = t/sin cóăýănghƿaăv t lý trong quá trình cắt nên ta sẽ kh o
sát nhăhư ng c aăbăđến lực cắt Pv.
Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khácăkhôngăđổi,ăchoăbăthayăđổi các giá
trị khácănhau,ătaăđoăđược các giá trị lực cắt Pv tươngă ngănhưătrênăđồ thị.
Từ đồ thị ta nh n thấy rằngăkhiătĕngăbăthìălực cắtăcũngătĕng.ăNếuănhưăcắt với
chiều dày cắt atb = 1mm thì lực cắt chính Pv được tính bằng:
(1.17)
Kết qu xử lý số liệuăđoăđượcănhưăđồ thị ta
nh năđược:

1.4.2.2. nh hưởng của lượng ch y dao s
đến lực cắt.
Vì chiều dày cắt a = s.sin cóăýănghƿaăv t lý trong quá trình cắt nên ta sẽ kh o
sát nhăhư ng c a a (qua atb)ăđến lực cắt Pv.
Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khácă khôngă đổi với b=1mm, cho a

thayăđổi các giá trị khácănhau,ătaăđoăđược các giá trị lực cắt Pv tươngă ng.
Bằng cách xử lý các số liệuăđoătaăcóăthể biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắtăvàăaănhưă
sau:
(1.18)
Từ đồ thị ta nh n thấy rằngăkhiătĕngăchiều dày cắt a thì lực cắtăcũngătĕng,ănhưngăkhôngă
tĕngănhiềuănhưăđối với b, vì rằngăkhiătĕngăaăthìăsẽ tĕngăđộ lớn c a góc tách phoi d n
đến gi m lực cắtă đơnă vị, mặtă khácă khiă tĕngă aă thìăkhôngă làmă tĕngă chiều dài làm việc
thực tế c aălưỡi cắt một cách tuyếnătínhănhưăkhiătĕngăchiều rộng cắt b.
Kết hợpăchoăthayăđổiăđồng th i chiều rộng cắt b và chiều dày cắt a, mối quan hệ
giữa lực cắtăPvăvàăb,ăaăđược viếtănhưăsau:
(1.19)
Hoặc có thể viết theo s, t:


13

(1.20)
Trongăđóătaănh n thấy:

1.4.2.3. nh hưởng của tốc độ cắt v đến lực cắt.
Qua thực nghiệm ta thấy rằng:

tốcăđộ cắt thấp mối quan hệ giữa tốcăđộ cắt v

với lực cắt P rất ph c t păvàăkhóăxácăđịnh qui lu t. Tuy nhiên khi cắt với tốcăđộ phổ
biến

ph m vi tốcăđộ caoănhưăngàyănayăđangăsử dụng thì nh n thấy rằngăkhiătĕngătốc

độ cắt v , lực cắt hầuănhưăkhôngăthayăđổi hoặcăthayăđổiăkhôngăđángăkể. Do v yăđể đơnă

gi n trong công th c tính lực cắtătaăthư ng bỏ qua yếu tố v.
1.4.3. nh hưởng của dụng cụ cắt đến lực cắt.
Thực tế cho thấy v t liệu chế t o dao và thông số hình học c a dao có nh
hư ng trực tiếpăđến lực cắt.
Qua kh o sát bằng thực nghiệm nhăhư ng c a các yếu liên quan c a dụng cắt
đến lực cắtăđược biểu thị qua các hệ số điều chỉnh trong công th c kinh nghiệm tính
lực cắt.
(1.21)
Trongăđóă

là các hệ số điều chỉnhăliênăquanăđếnăgócătrước, góc

nghiêngăchínhălưỡi cắt,ăbánăkínhămũiădao,ăđộ lớn mài mòn mặt sau dao và việcătưới
dung dịchătrơnănguội vào khu vực cắt.
Tổng hợp ta có thể l păđượcăphươngătrìnhăkinhănghiệm tính lực cắtănhưăsau:
(1.22)
Tươngătự taăcũngănh năđượcăphươngătrìnhătínhăcácăthànhăphần lực Ps và Pt có
d ngănhưătrên.
Các giá trị hằng số lực cắt Cp, các số mũăxp, yp và các hệ số điều chỉnhăKăđược
cho trong các sổ tay tra c u về cắt gọt.
1.4. K t lu n.
Quá trình gia công phay là tổng hợp c a nhiều yếu tố công nghệ.ăTrongăđóălực
cắt là yếu tố chính nhăhư ng trực tiếpăđến công suất thiết bị, tuổi thọ thiết bị,ăđộ c ng
vững c a hệ thống công nghệ, tuổi bền c aădao…


14

Để có thể đ p ng các yếu cầu trên, nhiều nghiên c u lý thuyếtăcũngănhưăthực
nghiệm về các yếu tố nhăhư ngăđến lực cắtăđãăđược thực hiệnănhưă nhăhư ng c a chế

độ cắt, v t liệu gia công, thông số hình học c a dụng cụ cắt….
Mặc dù những nghiên c u về lực cắt đãăcóărất nhiều,ănhưngăhiệnănayăngư i ta
v n tiếp tục nghiên c u các phươngăphápăchínhăxácănhấtăđể xácăđịnh lực cắtăcũngănhưă
nhăhư ng c a các yếu tố khácănhauăđến lực cắt, nhằmătĕngănĕngăsuấtăgiaăcôngănhưngă
v năđ m b oăđộ chínhăxácăgiaăcôngăvàăđộ c ng vững c a hệ thống công nghệ.