Ứng dụng phương pháp taguchi trong nghiên cứu ảnh hưởng các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi phay thép làm khuôn bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.29 MB, 106 trang )
..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI TIẾN TÀI
BÙI TIẾN TÀI
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI TRONG NGHIÊN CỨU
ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM
CHẾ TẠO MÁY
BỀ MẶT KHI PHAY THÉP LÀM KHUÔN BẰNG DAO PHAY
MẶT ĐẦU TRÊN MÁY PHAY CNC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
KHỐ 2015A
Hà Nội – Năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
BÙI TIẾN TÀI
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI TRONG NGHIÊN CỨU ẢNH
HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI
PHAY THÉP LÀM KHUÔN BẰNG DAO PHAY MẶT ĐẦU TRÊN MÁY
PHAY CNC
Chuyên ngành :
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1.
PGS.TS. BÙI NGỌC TUYÊN
Hà Nội – Năm 2017
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY VÀ DAO PHAY ....... 13
1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHAY VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH CẮT
KHI PHAY ....................................................................................................................... 13
1.1.1. Khái niệm cơ bản về gia công phay: ..................................................... 13
1.1.2. Các phương pháp phay ......................................................................... 13
1.2. CÁC LOẠI VẬT LIỆU DỤNG CỤ CẮT. ...................................................... 15
1.3. TỔNG QUAN VỀ DỤNG CỤ CẮT TRÊN MÁY PHAY ......................... 27
1.3.1. Phân loại dao phay ................................................................................ 27
1.3.2. Kết cấu và thơng số hình học dao phay ................................................ 30
1.4. CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY ........................... 31
1.4.1. Các thơng số cơng nghệ ........................................................................ 31
1.4.2. Các yếu tố cắt khi phay ......................................................................... 33
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................... 41
CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT SAU KHI GIA CÔNG CƠ
. ................................................................................................................................... 42
2.1. KHÁI NIỆM CHUNG ........................................................................................... 42
2.2. CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT ................ 42
2.2.1. Hình dạng hình học bề mặt lý tưởng..................................................... 42
2.2.2. Tính chất hình học của bề mặt gia cơng ............................................... 44
2.2.3. Tính chất cơ lý của bề mặt gia công ..................................................... 49
2.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT ....................... 50
2.3.1. Thơng số hình học của dụng cụ cắt ....................................................... 50
2.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt ..................................................................... 51
2.3.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ............................................................ 52
2.3.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt ................................................................ 53
1
2.3.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công .......................................................... 53
2.3.6. Ảnh hưởng của rung động từ hệ thống công nghệ ................................ 53
2.4. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ NHÁM BỀ MẶT TỚI TÍNH CHẤT SỬ DỤNG
CỦA CHI TIẾT MÁY ................................................................................................... 54
2.5. PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ NHÁM ..................................................................... 56
2.6. KÊT LUẬN .............................................................................................................. 57
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI .................................. 58
3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ THỰC NGHIỆM 58
3.1.1. Phương pháp truyền thống (phương pháp bình phương cực tiểu) ........ 58
3.1.2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm ................................................. 59
3.1.3. Phương pháp Taguchi ........................................................................... 60
3.2 ĐẶC ĐIỂM PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI ....................................................... 61
3.2.1. Thiết kế thí nghiệm ............................................................................... 61
3.2.2. Phân tích kết quả ................................................................................... 61
3.2.3. Phạm vi ứng dụng ................................................................................. 62
3.2.4. Các ưu, nhược điểm của phương pháp Taguchi ................................... 62
3.3 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................................................................ 63
3.3.1. Bảng trực giao ....................................................................................... 63
3.3.2. Tỷ số S/N............................................................................................... 71
3.3.3. Phân tích phương sai ANOVA ............................................................. 74
3.4. CÁC BƯỚC ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI ............................... 80
3.5. KẾT LUẬN .............................................................................................................. 83
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI ĐỂ XÁC ĐỊNH CHẾ
ĐỘ CÔNG NGHỆ TỐI ƯU ......................................................................................... 84
4.1. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM.................................................................................... 84
2
4.1.1. Vật liệu, dụng cụ, thiết kế thí nghiệm ................................................... 84
4.1.2. Dụng cụ, thiết bị trong thí nghiệm ...................................................... 85
4.2. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI ĐỂ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ
CÔNG NGHỆ TỐI ƯU ................................................................................................. 90
4.2.1. Xác định các yếu tố tác động, tiêu chí đánh giá chất lượng ................. 90
4.2.2. Xác định yếu tố nhiễu ........................................................................... 91
4.2.3. Yếu tố cần tối ưu hóa và yếu tố điều khiển........................................... 91
4.2.4. Lựa chọn bảng trực giao, thiết kế ma trận thí nghiệm .......................... 91
4.2.5. Phân tích dữ liệu: Xác định chế độ công nghệ tối ưu ........................... 93
4.3. KẾT LUẬN ........................................................................................................... 101
4.4. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .......................................................... 101
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu
Từ
Nghĩa
1
ANOVA
Analysis of Variance
Phương sai
2
e
Error (experimental)
Độ sai lệch
3
F
Variance ratio
Tỷ số phương sai
4
f (DOF)
Degrees of freedom
Bậc tự do
5
fT
Total degrees of freedom
Tổng số bậc tự do
6
fe
Degrees of freedom of
Bậc tự do của các yếu tố
error
khác
7
n
Number of trials
Số lần thử ngiệm
8
r
Number of repetition
9
S
Sum of squares
10
T
Total (of results)
11
S/N
Signal to noisy
Tín hiệu nhiễu
12
OA
Orthogonal array
Mảng trực giao
13
MSD
Mean square deviation
Độ lệch trung bình
4
Số lần lặp lại của thí
nghiệm
Tổng bình phương
Tổng các kết quả thí
nghiệm
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Thành phần và tính chất cơ lý của thép cacbon dụng cụ................ 17
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của thép hợp kim........................................... 18
Bảng 1.3: Thành phần hố học của thép gió ................................................... 20
Bảng 1.4: Thành phần HKC và tính chất cơ - hố .......................................... 24
Bảng 1.5: Bảng so sánh vật liệu dụng cụ cắt theo tiêu chuẩn Nga và ISO ..... 25
Bảng 2.1: Cấp độ nhám và giá trị chiều dai chuẩn l tương ứng...................... 47
Bảng 3.1. Lựa chọn bảng trực giao theo Taguchi ........................................... 64
Bảng 3.2. Bảng trực giao OA4(23) .................................................................. 65
Bảng 3.3. Bảng trực giao OA8(27) .................................................................. 66
Bảng 3.4. Bảng trực giao OA9(34) .................................................................. 66
Bảng 3.5. Bảng trực giao OA25(56) ................................................................. 67
Bảng 3.6: Một số chú ý khi thiết kế bảng trực giao ........................................ 69
Bảng 3.7: Cách xác định hệ số ai trong bảng trực giao ................................... 70
Bảng 4.1: Thành phần hóa học thép SKD11................................................... 84
Bảng 4.2: Đặc tính xử lý nhiệt thép SKD11 ................................................... 84
Bảng 4.3. Bảng thông số kỹ thuật máy CNC TC500 ...................................... 86
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật chuôi dao phay mặt đầu BT30.......................... 88
Bảng 4.5. Thông số kỹ thuật thân dao BAP400R-50-22-4T .......................... 89
Bảng 4.6: Bảng trực giao L9 ........................................................................... 91
Bảng 4.7: Giá trị thông số công nghệ trong thực nghiệm ............................... 92
Bảng 4.8: Bản kết quả tính tốn dữ liệu .......................................................... 93
Bảng 4.9: Kết quả tỉ lệ S/N của từng yếu tố tại từng mức .............................. 94
Bảng 4.10: Kết quả độ nhám Ra của từng yếu tố tại từng mức ...................... 95
Bảng 4.11: Bảng phân tích phương sai ANOVA với S/N .............................. 98
Bảng 4.12: Độ nhám Ra ứng với chế độ cắt tối ưu ....................................... 100
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỜ THỊ
Hình 1.1: Phay thuận và phay nghịch............................................................. 14
Hình 1.2: Phay đối xứng ................................................................................. 15
Hình 1.3: Phay khơng đối xứng ...................................................................... 15
Hình 1.4: Các dạng mảnh cắt hợp kim cứng và gá kẹp trên thân dao ........... 21
Hình 1.5: Các loại dao phay ........................................................................... 29
Hình 1.6: Thơng số hình học dao phay mặt đầu ............................................. 30
Hình 1.7: Tốc độ cắt khi phay ......................................................................... 31
Hình 1.8: Chiều sâu cắt t khi phay.................................................................. 33
Hình 1.9: Các thơng số của quá trình cắt khi phay t0 ................................... 33
Hình 1.10: Thông số lớp cắt khi phay bằng dao phay trụ .............................. 35
Hình: 1.11: Thơng số lớp cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu .................... 35
Hình 1.12: Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay hình trụ ........................... 36
Hình 1.13: Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu .......................... 37
Hình 1.14: Chiều rộng cắt bi và chiều dày cắt ai khi phay bằng dao phay trụ
răng nghiêng ................................................................................................... 38
Hình 2.1: Dạng hình học vĩ mơ trên bề mặt chi tiết do lưỡi cắt có r=0 ......... 43
Hình 2.2: Dạng bề mặt lý tưởng của cho tiết máy khi tiện, bào với lưỡi cắt có
r≠ 0 .................................................................................................................. 43
Hình 2.3: Độ nhám bề mặt chi tiết .................................................................. 45
Hình 2.4: Tổng quát về độ nhám và độ sóng bề mặt của chi tiết máy ............ 48
Hình 2.5: Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia cơng thép. 51
Hình 2.6: Ảnh hưởng của lượng chạy dao S tới chiều cao nhấp nhơ tế vi Rz 52
Hình 2.7: Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt Ra tới độ mịn U của chi tiết ...... 54
Hình 2.8: Máy đo độ nhám SV-2100 Mitutoyo ............................................... 57
Hình 4.1: Hình ảnh mẫu phôi gia công .......................................................... 85
6
Hình 4.2: Máy phay TC500 ............................................................................. 85
Hình 4.3: Dao phay mặt đầu BT30 ................................................................. 87
Hình 4.4: Thân dao phay mặt đầu BT30......................................................... 88
Hình 4.5: Thân gá mảnh dao BAP400R-50-22-4T ........................................ 89
Hình 4.6: Mảnh dao HKC APMT 1604 – PDTR ............................................ 90
Hình 4.7: Thơng số kích thức của mảnh dao HKC APMT 1604 – PDTR ...... 90
Hình 4.8: Ảnh hưởng của tốc cắt V đến độ nhám bề mặt Ra ......................... 98
Hình 4.9: Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến độ nhám bề mặt Ra ............ 99
Hình 4.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ S/N khi thay đổi chiều sâu cắt t đến độ nhám
bề mặt .............................................................................................................. 99
7
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, làm luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ,
chỉ bảo của các thầy cô giáo đã giảng dạy, hướng dẫn, giúp tơi hồn thàn tốt
chương trình học cao học và hồn thiện được luận văn này.
Trước hết tơi xin được chân thành cảm ơn với các thầy cô giáo giảng viên
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy, giúp đỡ, chỉ bảo tận tình, giúp
tơi có được nhiều kiến thức rất mới và bổ ích, nâng cao trình độ, năng lực học
tập và sáng tạo.
Tôi xin cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên, Đại học
Bách Khoa Hà Nội, đã định hướng đề tài, hướng dẫn tận tình tơi trong việc tiếp
cận và khai thác tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo trong quá trình tơi
làm luận văn.
Tơi xin cảm ơn Ban Giám đốc, các cán bộ nhân viên phòng Kỹ thuật trung
tâm Hồng Hải, đại học Công Nghiệp Hà Nội về sự tạo điều kiện hết sức thuận
lợi cho tôi được tiến hành thí nghiệm tại cơng ty, giúp tơi hồn thành nghiên
cứu của mình.
Cuối cùng tơi muốn bày tỏ lịng cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học
Công Nghiệp Hà Nội, các bạn đồng nghiệp và gia đình đã ủng hộ và động viên
tơi trong suốt q trình làm luận văn này.
Do kinh nghiệm của bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn khơng tránh
khỏi thiếu xót. Tơi rất mong nhận được ý kến nhận xét, góp ý của quý thầy cô
và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả
Bùi Tiến Tài
8
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trước bối cảnh hiện nay nước ta đang phát triển, các ngành nghề và các sản
phẩm ngày càng da dạng. Đặc biệt trong ngành chế tạo khn mẫu nói riêng,
việc đa dạng hóa các sản phẩm là rất cần thiết. Cùng với sự phát triển của khoa
học kỹ thuật, ngành công nghiệp khuôn mẫu đóng vai trị rất to lớn trong nhiều
lĩnh vực: Sản xuất ô tô, máy bay, thiết bị xây dựng, máy nông nghiệp, máy công
nghiệp, dược phẩm, thực phẩm, cơ khí, ngành nhựa…Trước sự phát triển ngày
càng cao đó cần có một số lượng lớn khn dập nguội như khn đột dập,
khn dập vuốt, dập sâu…Trong khi đó, thép SKD11 là một trong những vật
liệu thường xuyên được sử dụng dùng để chế tạo các loại khuôn dập nguội. Do
vậy việc nghiên cứu và tối ưu q trình gia cơng thép SKD11 và việc lựa chọn
bộ thông số chế độ cắt (v, s, t) để nâng cao chất lượng của sản phẩm là việc rất
cần thiết.
Để nâng cao năng suất, chất lượng trong chế tạo khuôn ép, cần phải sử dụng
các máy móc, trang thiết bị cơng nghệ hiện đại, tiên tiến, nhất đó là các máy
cơng cụ điều khiển số CNC. Các máy móc, trang thiết bị hiện đại rất đắt tiền,
vì vậy để đảm bảo sử dụng hiệu quả các máy móc, thiết bị này thì việc gia công
phải được thực hiện bằng chế độ cắt tối ưu.
Đối với trong nước, các nghiên cứu trước đó đã chỉ ra nhiều lợi ích của việc tối
ưu hóa chế độ cắt khi thực hiện trên máy CNC đem lại như: Nghiên cứu tối ưu
hóa một số thơng số cơng nghệ khi phay cao tốc của tác giả Hồng Tiến Dũng
trình bày trong luận án tiến sĩ [15]; tối ưu hóa chế độ cắt khi phay vật liệu
SKD61 trên máy phay CNC bằng mảnh dao phủ PVD-TIALN của tác giả
Dương Xuân Trường [17]; tối ưu hóa chế độ cắt khi phay bằng dao phay ngón
hợp kim cứng - ứng dụng phay thơ lịng khn ép nhựa y8a của tác giả Phạm
Thị Thu trình bày trong luận văn thạc sĩ [18]; Nghiên cứu ảnh hưởng của chế
9
độ cắt đến tuổi bền của dao phay cầu phủ TiAlN khi gia công thép hợp kim
CR12MOV tác giả Phạm Văn Hiển đã trình bày trong luận văn thạc sĩ [19].
Trên thế giới, đã có những nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả khi phay bằng
máy phay CNC: Nghiên cứu ảnh hưởng của thơng số hình học của dao và các
thông số chế độ cắt trong gia công tinh bằng phay ngón tác giả Hedi Yangui1 ,
Bacem Zghal đã trình bày trong bài báo tại hội nghị quốc tế thiết kế và sản suất
tại Ấn Độ [8], Tối ưu hóa các thông số cắt để cải thiện độ nhám bề mặt khi phay
gang sử dụng phương pháp Taguchi và phân tích Anova của tác giả Dr. Sudip
Mukherjee và Subhajit Dangar trình bày trong tạp trí khoa học kỹ thuật và cơng
nghệ nghiên cứu, Ấn Độ [9] , tối ưu hóa thông số chế độ cắt khi phay thép
không rỉ sử dụng phương pháp Taguchi của tác giả G.Guruvaiah Naidu và A.
Venkata Vishnu trình bày trong tạp chí quốc tế cơ khí và kỹ thuật sản xuất [10],
tối ưu hóa thơng số chế độ cắt khi phay cứng thép là khuôn dập nóng của tác
giả Chien-Hung Liu and Huei-Chu Weng tại tạp trí khoa học và ứng dụng đại
học quốc gia, thành phố Cao Hùng, Đài Loan [11], Tối ưu hóa các thông số
công nghệ khi phay cao tốc dựa trên việc phân tích sự biến đổi màu xám và các
thành phần chính của vật liệu của tác giả Jibin Zhao, Weijun Liu, Trung Quốc
[12]..., tuy nhiên chưa có nghiên cứu nhằm tối ưu chế độ cắt khi phay thép
SKD11 bằng dao phay mặt đầu răng chắp mảnh hợp kim cứng sử dụng phương
pháp Taguchi và phân tích phương sai ANOVA.
Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ: Ứng dụng
phương pháp Taguchi trong nghiên cứu ảnh hưởng các thông số chế độ cắt đến
độ nhám bề mặt khi phay thép làm khuôn bằng dao phay mặt đầu trên máy
phay CNC.
10
1. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu được mức độ ảnh hưởng của các
thông số chế độ cắt (tốc độ cắt V, lượng tiến dao S và chiều sâu cắt t), cũng như
tương tác của chúng đến độ nhám bề mặt gia công khi ứng dụng phương pháp
Taguchi và phân tích phương sai ANOVA. Từ đó, tìm ra bộ thơng số chế độ
cắt tối ưu trong miền thực nghiệm nhằm đạt được độ nhám bề mặt gia công
(Ra) là nhỏ nhất.
2. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu của đề tài, nội dung nghiên cứu bao gồm
các phần sau:
- Tổng quan về quá trình phay và dao phay
- Chất lượng bề mặt chi tiết sau khi gia công cơ
- Nghiên cứu phương pháp thực nghiệm Taguchi
- Thiết kế thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm
- Xử lý sơ liệu thực nghiệm, phân tích kết quả thực nghiệm
- Đánh giá và đưa ra kết luận
3. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và phân tích các cơng trình nghiên cứu liên
quan đến lĩnh vực của đề tài, kết hợp với thực nghiệm để xác định mức độ ảnh
hưởng của các thông số chế độ cắt, cũng như tương tác của chúng đến độ nhám
bề mặt từ đó tìm ra bộ thơng số chế độ cắt tối ưu trong miền thực nghiệm nhằm
đạt được độ nhám bề mặt (Ra) gia công là nhỏ nhất.
Đề tài này sử dụng phương pháp nghiên cứu suy diễn lý thuyết kết hợp với
với phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi cùng với phương pháp phân
tích phương sai ANOVA.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học
- Đóng góp vào việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt cho phương pháp phay
mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu răng chắp mảnh hợp kim cứng nhằm đạt
11
được độ nhám bề mặt (Ra) là nhỏ nhất bên cạnh đó giảm thời gian và chi phí
gia cơng.
- Sử dụng phương pháp Taguchi và phân tích phương sai ANOVA để đánh giá
được sự ảnh hưởng của bộ ba thông số chế độ cắt (v, s, t) đến độ nhám bề mặt.
- Làm phong phú thêm lý thuyết trong quy hoạch thực nghiệm và xử lý dữ liệu
thực nghiệm, quá trình tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ trong điều kiện tại
Việt Nam.
b. Ý nghĩa thực tiễn
- Đề tài mang tính ứng dụng cao, kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho
việc lựa chọn bộ thông số chế độ cắt tối ưu để khi phay thép làm khuôn SKD
11 trên máy phay CNC bằng dao phay mặt đầu chắp mảnh HKC nhằm đạt được
độ nhám bề mặt là thấp nhất.
- Đưa phương pháp Taguchi vào trong thiết kế thực nghiệm và tính tốn mức
độ ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt.
12
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHAY VÀ DAO PHAY
1.1. Các phương pháp phay và đặc điểm của quá trình cắt khi phay
1.1.1. Khái niệm cơ bản về gia công phay:
Phay là phương pháp gia cơng phổ biến, có khả năng cơng nghệ rộng rãi.
Ngồi phay mặt phẳng, phay cịn gia cơng được nhiều bề mặt định hình khác
nhau như phay rãnh, bậc, ren, bánh răng .... Trong sản suất loạt lớn, khối phay
thay thế hoàn toàn cho bào, xọc (ít). Dao phay có nhiều lưỡi cắt cùng làm việc
nên đạt năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết cao hơn rất nhiều so với bào, xọc.
Phay là phương pháp gia cơng cắt gọt kim loại có phoi, dưới tác dụng của
nhiều lưỡi cắt nhằm tạo ra chi tiết có hình dáng và kích thước theo u cầu.
Gia cơng phay được thực hiện trên máy phay đứng, máy phay ngang vạn năng,
máy phay giường, máy phay nhiều trục và máy phay chuyên dùng.
1.1.2. Các phương pháp phay
a. Phay thuận (hình 1.1a):
Trong quá trình phay, dao quay cùng chiều với phương chuyển động của bàn
máy mang chi tiết gia công.
Ưu điểm:
- Chiều dày cắt thay đổi từ a(max) đến a(min), do đó ở thời điểm lưỡi cắt tiếp
xúc với chi tiết không xảy ra sự trượt, cho nên dao ít bị mịn và tuổi bền của
dao tăng.
- Có thành phần lực cắt Pđ theo phương thẳng đứng đè chi tiết xuống làm tăng
khả năng kẹp chặt của chi tiết, do đó giảm rung động khi phay.
Nhược điểm:
- Lúc răng dao mới chạm vào chi tiết vì chiều dày cắt a=a(max) nên xảy ra sự
va đập đột ngột, răng dao dễ mẻ, đồng thời rung động tăng lên.
13
- Thành phần lực nằm ngang Px đẩy chi tiết theo phương chuyển động chạy dao
nên sự tiếp xúc giữa bề mặt ren của vít me truyền lực và đai ốc có thể khơng liên
tục, điều này làm cho bàn máy chuyển động bị giật cục, do đó sinh ra rung động.
Hình 1.1: Phay thuận và phay nghịch
b. Phay nghịch (hình 1.1 b):
Trong q trình gia cơng, dao và chi tiết có chuyển động ngược chiều nhau.
Ưu điểm:
- Chiều dày cắt tăng từ a(min)=0 đến a(max), do đó lực cắt tăng dần từ P = 0 đến
Pmax nên tránh được rung động do va đập.
- Thành phần lực nằm ngang Pn có xu hướng làm tăng cường sự ăn khớp giữa
bề mặt ren vít của vít me và đai ốc, cho nên không gây ra độ rê và tránh được
rung động.
Nhược điểm:
- Vì ở thời điểm lưỡi cắt bắt đầu tiếp xúc với chi tiết, chiều dày cắt a=0, nên
xảy ra sự trượt giữa lưỡi cắt và bề mặt gia cơng. Điều này ảnh hưởng xấu đến
độ bóng bề mặt gia công, đồng thời lưỡi cắt nhanh bị mịn.
- Thành phần lực thẳng đứng Pd có xu hướng nâng chi tiết lên, do đó dễ gây ra
rung động.
14
Trong thực tế phay nghịch thường dùng khi gia công thô và phay thuận dùng
khi gia công tinh.
c. Phay đối xứng
Hình 1.2: Phay đối xứng
Khái niệm: Là phương pháp phay khi đó tâm dao trùng với tâm chi tiết gia cơng.
d. Phay khơng đối xứng
Hình 1.3: Phay khơng đối xứng
Khái niệm: Là phương pháp phay mà tâm dao và trục đối xứng của chi tiết gia
công bị lệch nhau.
Đặc điểm: Chịu ảnh hưởng cả hai hình thức phay thuận và phay nghịch ở mỗi
nửa bên của dao phay.
Để quá trình gia cơng phay là tốt nhất nên chọn dao có đường kính khoảng
1,4 lần bề rộng chi tiết và cho phần phay nghịch lớn hơn phay thuận.
1.2. Các loại vật liệu dụng cụ cắt.
1.2.1. Thép cacbon dụng cụ
15
Là loại thép có hàm lượng cacbon cao (từ 0,7-1,4%) và có hàm lượng tạp
chất thấp (S,P < 0,025 %).
Ngồi ra cịn có Mn < 0,3 %, Si < 0,3 % không quá 0,03% phốt pho và 0,02%
lưu huỳnh. Phốt pho và lưu huỳnh làm giảm chất lượng của thép cacbon dụng cụ,
phốt pho làm cho thép giòn nguội và lưu huỳnh làm giòn thép ở nhiệt độ cao.
* Những đặc tính cơ bản của thép cacbon dụng cụ:
+ Độ cứng sau tơi và ram: HRC ≈ 60÷63, sau ủ có HB ≈ 187÷217, dễ gia cơng.
+ Độ thấm tơi thấp: Nghĩa là chỉ lớp vỏ mỏng được tơi cịn bên trong vẫn
nền kim loại cũ. Do vậy để có lớp thấm tơi đầy đủ thì phải tơi thép trong môi
trường nước hoặc nước qua dầu (thường là dầu công nghiệp). Tuy nhiên cũng
dễ gây nứt vỡ, nhất là vật có kích thước lớn. Tuy nhiên, đây cũng là một thuận
lợi khi phải chế tạo những loại dụng cụ cần lõi dẻo hơn như đục, dũa, tarô nhỏ,
mũi doa, mũi khoan đường kính nhỏ.
+ Tính chịu nhiệt kém: Chỉ chịu nhiệt khoảng 200÷2500C, chịu được tốc độ
cắt khoảng V = 4÷5 (m/ph).
Dưới đây là bảng nêu thành phần hố học và cơ lý tính của một số mác thép
cacbon dụng cụ theo ΓOCT1435-54 (*) được nêu ở (bảng 1.1).
16
Độ cứng (HRC)
Thành phần hoá học (%)
Mác
thép
C
Mn
Si
Cr
Ni
Ứng dụng
S, P Sau khi Sau khi
Hàm lượng không quá
tôi
ram
Chế tạo búa, dụng cụ
Y7A 0,60÷0,74 0,25÷0,35
nguội, đục, mũi tu,
dụng cụ gia cơng
gỗ…với
Y8A 0,75÷0,85 0,25÷0,45
độ
cứng
khơng cao.
61÷63
0,30
Riêng Y8A – làm mũi
0,03
cạo
Y9A 0,86÷0,94 0,20÷0,30
Chế tạo dụng cụ cắt
Y10A 0,95÷1,09
60÷63
0,20 0,25
Y11A 1,05÷1,14 0,15÷0,25
vật liệu mềm và tốc độ
cắt thấp như dũa, mũi
62÷64
0,31
khoan nhỏ, mũi doa,
tarơ, bàn ren .v.v…
Dao tiện, dũa, dụng cụ
Y12A 1,10÷1,25
Y13A 1,26÷1,40 0,25÷0,35
0,30
62÷65
đo, dụng cụ khắc,
khn kéo dây v.v…
Bảng 1.1: Thành phần và tính chất cơ lý của thép cacbon dụng cụ
Ghi chú: Ví dụ mác thép Y10A (theo tiêu chuẩn của Nga), chữ Y chỉ ký hiệu
thép cacbon dụng cụ theo tiêu chuẩn của Nga; Chữ A: Chỉ thép chất lượng tốt
hơn loại thường; Số 10: Chỉ giá trị trung bình của cacbon trong thép là
0,95÷1,09 %C.
Cùng họ với mác vật liệu nêu trong bảng 1.1 cịn có các mác thép tương ứng là
Y7, Y8,...,Y13 nhưng chất lượng kém hơn loại mác có chữ A, nay ít sản xuất, do
sự phát triển của ngành chế tạo máy đòi hỏi phải tăng năng suất cắt, tức là cắt với
vận tốc cao, độ cứng và dẻo của chi tiết cao, nhiều loại vật liệu mới được sử dụng
17
trong nghành chế tạo dụng cụ cắt nên thép cacbon dụng cụ khó đáp ứng được u
cầu nên ít được dùng chế tạo dụng cụ cắt hiện nay.
1.2.2. Thép hợp kim dụng cụ
Là thép có gốc là thép cacbon có hàm lượng cacbon cao nhưng được thêm
-
vào một số hợp kim có hàm lượng nhất định:
Hàm lượng cacbon: 0,7 ÷ 1,4 %
Các nguyên tố hợp kim: Cr, W, Si, Mn
Tác dụng của các nguyên tố hợp kim:
- Tăng độ cứng, tăng tính thấm tơi
- Tăng tính chịu nóng.
* Một số tính năng cơ bản của thép:
- Độ chịu nhiệt từ 350 – 4500C
- Tốc độ cắt cao hơn so với thép cacbon dụng cụ khoảng 20%.
- Độ cứng cao, độ bền cơ học cao.
- Tăng khả năng chống mài mịn.
Dưới đây là thành phần hố học và cơ tính của một số loại thép hợp kim dụng
cụ thơng thường:
Thành phần hố học (%)
Loại thép
X
9XC
XBCT
XBT
XB4
XB5
C
Cr
0,95÷1,10
1,3÷1,65
Mn
Si
0,15÷0,40 0,15÷0,35
0,80÷0.95 0,95÷1,25 0,30÷0,60 1,20÷1,60
W
V
-
-
Độ cứng
Sau Sau
tơi
ram
>62
62÷65
0,95÷1,05 0,60÷1,10 0,60÷0,90 0,65÷1,00 0,7÷1,0 0,05÷0,15 >62
0,90÷1,05 0.90÷1,20 0,80÷1,10
1,05÷1,45 0,40÷0,70 0,15÷0,40
1,2÷1,6
0,15÷0,35
4,0÷5,0
>62 62÷64
0,15÷0,3
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của thép hợp kim
18
>63 62÷67
>62 62÷65
Ghi chú:
1. Chữ cái hàng ngang (theo kí hiệu của Việt Nam) chỉ:
C: Cacbon; Mn: Mangan; Si: Silíc;
W: Vơnfram; V: Vanađi; Cr: Crơm
2. Chữ cái cột đầu (theo kí hiệu của Nga) chỉ:
X: Crơm; C: Silíc; G: Mangan
B: Vơnfram; B4 và B5 chỉ 4÷5% vơnfram.
1.2.3. Thép gió
Thép gió (tên tiếng Anh là High Speed Steel - viết tắt là HSS) xuất hiện ở
nước Nga vào cuối thế kỷ 19. Nó là loại vật liệu có tính cắt tốt hơn so với các
loại trên. Do đó từ khi ra đời, nó đã thúc đẩy một cuộc cách mạng về công nghệ
cắt gọt, năng suất cắt tăng nhanh, đòi hỏi những máy móc bán tự động và tự
động có tốc độ cắt cao xuất hiện.
Thép gió vẫn là thép cacbon nhưng hàm lượng cacbon cao hơn. Để có tính
cắt tốt, người ta cho thêm vào thép C một hàm lượng vônfram đáng kể (đây là
loại vật liệu đắt tiền). Ngồi vơnfram cịn có một hàm lượng nhỏ các ngun tố
crơm, vanađi, cơban. Những nguyên tố này hợp với cacbon tạo thành các loại
cácbít kim loại có độ cứng cao, chịu mịn tốt. Vai trị quyết định là cácbít
vơnfram (WC). Với sự có mặt của những cácbít này ở nhiệt độ cắt ≤ 6000C thép
sẽ khơng thốt ra khỏi mạng mactenxit, nên vẫn giữ được tính cắt tốt.
Hai loại thép gió phổ biến là P18 và P9 (theo kí hiệu của Nga). Chữ P ký
hiệu chỉ thép gió, số 18 và 9 chỉ 18% và 9% cácbít vơnfram có trong thép.
Ngồi ra cịn xuất hiện thêm các loại thép gió có năng suất cao nêu ở (bảng
1.3). Nhờ tăng thêm thành phần vanađi và cơban. Cơban với tỉ lệ 5%÷10% nên
khả năng chịu nhiệt và khả năng chống mòn cao hơn. Thép P18K5, P9K5,
P18F2M có độ chịu nhiệt đến 630o và P18K10, P10K5F5 đến 650o. Với thép
gió năng suất cao khi gia cơng các chi tiết bằng thép và gang tốc độ cắt có thể
19
tăng lên 5÷10% (so với thép gió P18) và tuổi bền dụng cụ tăng từ 1,5÷3 lần
(khi tốc độ cắt khơng đổi). Ngồi ra dùng chúng rất tốt khi gia cơng thép xây
dựng có độ bền cao (HB = 300÷350), thép chịu nhiệt và những loại vật liệu khó
gia cơng khác.
* Những tính năng cơ bản của thép gió:
- Độ thấm tơi lớn, độ cứng sau tơi ≈ 60÷63 HRC.
- Độ chịu nhiệt khoảng 6100C.
- Tốc độ cho phép cắt khoảng 25÷35 m/ph.
Bảng 1.3: Thành phần hố học của thép gió
Thành phần các ngun tố tính bằng (%).
Mác thép
Cacbon
Vơnfram
Crơm
Vanađi
Cơban
(C)
(W)
(Cr)
(V)
(Co)
Thép năng suất thường
P18
0,7÷0,8
17,5÷19,0
3,8÷4,4
1,0÷1,4
_
P9
0,85÷0,95
8,5÷10,0
3,8÷4,4
2,0÷2,6
_
Thép năng suất cao
P18K5
0,7÷0,8
17,0÷19,0
4,0÷4,5
1,0÷1,4
4,5÷5,5
P18K10
0,75÷0,85
17,5÷19,0
4,0÷4,5
1,2÷1,6
9,5÷10,5
P9K5
0,8÷0,9
9,0÷10,5
3,8÷4,4
1,6÷2,0
5,0÷6,0
P9K10
0,8÷0,9
9,0÷10,5
3,8÷4,4
1,6÷2,0
9,5÷10,5
P18Ф2M
0,85÷0,95
17,5÷19,0
3,8÷4,4
1,8÷2,2
_
P9Ф5
1,4÷1,5
9,0÷10,5
3,8÷4,4
4,4÷5,0
_
P10K5Ф5
1,45÷1,55
10,0÷11,5
4,0÷4,6
4,4÷5,0
4,5÷5,5
Ghi chú:
- Các chữ Ф- chỉ nguyên tố vanađi; K- chỉ nguyên tố côban.
- Các nguyên tố có lẫn trong thép gió gọi là tạp chất, được hạn chế như:
Mn < 0,4%; Si < 0,4%; Mo < 0,5%; Ni < 0,4%; P < 0,03%; S < 0,03%.
20
* Ứng dụng:
Dùng làm vật liệu để chế tạo các loại dụng cụ cắt nói chung, nhất là các loại
dụng cụ cắt có profile phức tạp như mũi khoan, mũi khoét, mũi doa, dao chuốt...
1.2.4. Hợp kim cứng
Hình 1.4: Các dạng mảnh cắt hợp kim cứng và gá kẹp trên thân dao
Hợp kim cứng không phải là thép mà là hợp kim bột được đem ép lại thành
các chi tiết. Thành phần của hợp kim cứng (HKC) gồm có cácbít của một số
kim loại khó nóng chảy vơnfram, titan, tantan) được nghiền nhỏ với kích thước
hạt nhất định và được liên kết lại với nhau nhờ một kim loại khó nóng chảy và
tương đối mềm là cơban.
Cácbít vơnfram và titan khơng những cứng mà cịn khó chảy (cácbít vơnfram
nóng chảy ở nhiệt độ 28000C, cácbít titan nóng chảy ở nhiệt độ 32000C, nhiệt
độ nóng chảy của cơban khoảng 15000C).
Trong đó:
Tính cắt do các pha cácbít kim loại quyết định.
Độ bền cơ học do kim loại cơban quyết định.
Ngồi ra hợp kim cứng còn được sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu ma
sát lớn, lực nén lớn như khuôn vuốt dây thép, khuôn ép...
21
* Những tính năng cơ bản của hợp kim cứng:
- Độ cứng cao: Khoảng 86÷90 HRA (>70÷71 HRC), chính là độ cứng của các
hạt cácbít.
- Độ chịu nhiệt cao (tới hàng ngàn độ).
- Tốc độ cắt cao 100÷150 m/ph, gấp 3÷4 lần thép gió, có khi tốc độ cắt cịn cao
hơn. Khi gia công thép cacbon xây dựng, trong một vài trường hợp cá biệt có
thể tăng đến 2000÷3000 m/ph, khi gia công nhôm đến 5000 m/ph. Dụng cụ gắn
mảnh HKC có khả năng gia cơng được cả thép đã qua tơi và các vật liệu cứng
khác.
- Độ chịu mịn tốt.
- Chịu lực nén tốt hơn uốn, kéo.
- Giòn, do đó thường dẫn đến nứt vỡ hợp kim, đặc biệt khi gia cơng có va chạm
hoặc tải trọng khơng đều.
* Sản xuất các mảnh hợp kim cứng
Để sản xuất ra các mảng hợp kim cứng hoặc các dụng cụ nguyên từ HKC
như mũi khoan, mũi doa... người ta phải sản xuất các loại bột cácbít và bột
cơban. Những loại bột này thường được trộn đều với nhau theo tỷ lệ phần trăm
quy định, rồi sản xuất theo quy trình sau:
- Trộn đều bột các loại cácbít theo tỷ lệ quy định.
- Ép bột trong khn có hình dạng mong muốn dưới áp suất thích hợp.
- Nung nóng sơ bộ những mảnh ép ở t0 ≈ 9000÷10000C trong khoảng thời gian
1 giờ để tạo hình sơ bộ.
- Gia cơng tạo hình lần cuối.
- Nung ở t0 ≈ 14000÷15000 C (khoảng 1÷3 giờ đủ cho kim loại cơban nóng chảy,
đóng vai trị chất kết dính liên kết các hạt cácbít lại tạo ra độ bền cho HKC).
22
Có 3 nhóm HKC thơng dụng (theo kí hiệu của Nga):
a. Nhóm 1 cácbít:
Ký hiệu: BK, gồm: BK2, BK3, BK4, BK6,... , BK20
Thành phần gồm có: Cácbít vơnfram và kim loại côban, số sau chữ K chỉ thành
phần côban tính bằng phần trăm.
Ví dụ: BK8 thành phần có 8% cơban, 92% cácbít vơnfram (có thêm 1 lượng
nhỏ tạp chất không đáng kể như sắt, ni-ken...).
Ứng dụng: Chế tạo các mảnh cắt khi gia cơng các loại vật liệu giịn.
b. Nhóm 2 cácbít:
Ký hiệu: TK, gồm: T15K6, T5K10, T14K8,T30K4, T60K6
Thành phần gồm có: cácbít vơnfram (WC) chiếm phần lớn, cácbít titan (TiC)
và kim loại kết dính cơban, số sau chữ T chỉ thành phần titan tính bằng phần
trăm và số sau chữ K chỉ thành phần cơban tính bằng phần trăm.
Ví dụ : T15K6 có 15% cácbít titan, 6% cơban và 79% cácbít vơnfram.
Ứng dụng:
Chế tạo các mảnh cắt khi gia công vật liệu thép và kim loại màu (vật liệu
cho phoi dính nói chung).
Việc xuất hiện hợp kim cứng nhóm TK với chất lượng cao là cơ sở để
chuyển sang cắt cao tốc các loại thép. Hợp kim nhóm TK có khả năng chống
mài mịn của phoi. Có được ưu điểm này là do HKC nhóm TK rất cứng và có
khả năng chịu nóng rất cao.
c. Nhóm 3 cácbit:
Ký hiệu: TTK (TT7K12, TT7K15, TT10K8)
Thành phần gồm: Cácbít vơnfram (WC) chiếm phần lớn, cacsbit Titan (TiC)
và các bít Tantan (TaC).
Chữ T thứ nhất chỉ cácbít titan (TiC), chữ T thứ hai chỉ cácbít tantan (TaC).
Ví dụ: TT7K12 có 4% cácbít titan và 3% cácbít tan-tan, 12% cơban, cịn lại là
23
