Giáo trình Nguyên lý cắt - CĐ Công nghiệp và Thương mại

Giáo trình Nguyên lý cắt kỹ thuật cơ khí (toàn tập) biên soạn theo chương trình đào tạo chuẩn, phù hợp sinh viên ngành cơ khí hiện nay

• Tác giả: Tập Thể Các Giáo Viên Trong Khoa Cơ Khí Của Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Phúc Yên
• Trường học: Trường Cao đẳng Công nghiệp và Thương mại
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nguyên lý cắt
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Vĩnh Phúc

Tóm tắt

I. Vật Liệu và Dụng Cụ Cắt trong Kỹ Thuật Cơ Khí

Vật liệu dụng cụ cắt đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong nguyên lý cắt kỹ thuật cơ khí. Lựa chọn vật liệu phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất gia công, chất lượng sản phẩm và tuổi thọ dụng cụ. Giáo trình nguyên lý cắt cung cấp kiến thức toàn diện về các loại vật liệu từ thép các bon, thép hợp kim đến hợp kim cứng và vật liệu sứ. Mỗi loại vật liệu có những đặc tính riêng về tính chịu mài mòn, tính công nghệ và tính kinh tế. Yêu cầu chung của vật liệu dụng cụ cắt bao gồm khả năng chịu áp lực cao, chịu nhiệt độ cao và có độ bền tốt. Các biện pháp cải thiện tính cắt như thấm bề mặt và phủ bề mặt giúp nâng cao hiệu suất làm việc của dụng cụ cắt.

1.1. Yêu Cầu Chung của Vật Liệu Dụng Cụ Cắt

Vật liệu dụng cụ cắt phải có tính chịu mài mòn cao, khả năng chịu tải lớn và tính ổn định trong quá trình gia công. Tính công nghệ của vật liệu cho phép dễ dàng chế tạo và dán các mũi cắt. Tính kinh tế đảm bảo chi phí sản xuất hợp lý so với hiệu quả sử dụng. Các yêu cầu này là cơ sở để lựa chọn vật liệu phù hợp cho từng loại gia công cụ thể.

1.2. Các Loại Vật Liệu Dụng Cụ Cắt Phổ Biến

Thép các bon dụng cụ được sử dụng cho những công việc gia công đơn giản, thép hợp kim dụng cụ có khả năng chịu nhiệt tốt hơn. Hợp kim cứng là vật liệu tiên tiến với độ cứng cao, cho phép tốc độ cắt lớn. Vật liệu sứ và vật liệu hạt mài được ứng dụng trong những trường hợp đặc biệt. Phủ bề mặt bằng các lớp gốm giúp cải thiện hiệu suất cắt đáng kể.

II. Cấu Tạo và Thông Số Hình Học của Dụng Cụ Cắt

Cấu tạo dao tiện bao gồm các phần chính như phần cứng chịu lực, mặt tự do, mặt cắt và phần lưỡi cắt. Hiểu rõ thông số hình học của dao tiện là điều cần thiết để tối ưu hóa quá trình gia công. Nguyên lý cắt yêu cầu kiến thức chuyên sâu về các góc cắt, các mặt phẳng tọa độ và các chuyển động cắt. Các yếu tố chế độ cắt bao gồm chiều sâu cắt, lượng chạy dao, chiều dày lớp cắt được xác định để đạt hiệu suất tối ưu. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, mô men xoắn, công suất tiêu thụ và tuổi bền dụng cụ cắt.

2.1. Các Thông Số Hình Học Cơ Bản

Các góc của dao tiện trên mặt phẳng cơ sở gồm góc cắt, góc tự do và góc hình dáng. Tiết diện chính chứa các góc tạo bởi mặt cắt và mặt tự do. Góc nâng của lưỡi cắt xác định vị trí không gian của dao. Lựa chọn đúng các thông số này đảm bảo quá trình cắt suôn sẻ, lực cắt tối ưu và chất lượng bề mặt gia công.

2.2. Các Yếu Tố Chế Độ Cắt

Chiều sâu cắt (t) được lựa chọn dựa trên yêu cầu kích thước và độ cứng vật liệu. Lượng chạy dao (S) ảnh hưởng đến độ nhẫn chi tiết và chất lượng bề mặt. Diện tích lớp cắt xác định lượng vật liệu được loại bỏ. Kết hợp hợp lý các yếu tố này giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.

III. Quá Trình Hình Thành Phoi và Hiện Tượng Trong Cắt

Quá trình hình thành phoi là một phần quan trọng trong nguyên lý cắt kỹ thuật cơ khí. Cơ chế tạo phoi bắt đầu khi lưỡi cắt xâm nhập vào vật liệu, làm biến dạng liên tục và tạo ra lớp vật liệu bị cắt. Hiện tượng co rút phoi xảy ra do sự thay đổi thể tích vật liệu trong quá trình cắt. Hiện tượng lẹo dao là sự tích tụ vật liệu trên mặt cắt dao, gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt. Nguồn nhiệt cắt sinh ra từ ma sát giữa phoi và dao, gây ảnh hưởng đến tuổi bền dụng cụ. Dung dịch trơn nguội được sử dụng để giảm nhiệt, cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

3.1. Cơ Chế Tạo Phoi và Hiện Tượng Liên Quan

Cơ chế của quá trình tạo phoi thông qua biến dạng nhựa liên tục ở vùng cắt. Phoi phân tố hình thành khi lực cắt vượt quá giới hạn, làm phoi rời rạc thành nhiều phần. Hiện tượng co rút xảy ra do sự nén liên tục vật liệu trước lưỡi dao. Các hiện tượng này ảnh hưởng đến độ nhẫn, chính xác kích thước và chất lượng bề mặt sản phẩm.

3.2. Hiện Tượng Lẹo Dao và Nhiệt Cắt

Hiện tượng lẹo dao là sự hình thành mũi cứng từ vật liệu bị cắt trên mặt cắt dao. Nguyên nhân hình thành bao gồm nhiệt độ cao, áp lực lớn và độ bề mặt dao phù hợp. Biện pháp khắc phục bao gồm tăng tốc độ cắt, sử dụng dung dịch trơn, chọn góc cắt thích hợp. Nguồn nhiệt sinh ra từ ma sát trên mặt cắt và mặt tự do, giảm khi tăng tốc độ cắt.

IV. Mòn Tuổi Bền Dụng Cụ Cắt và Lựa Chọn Chế Độ Cắt

Mòn của dụng cụ cắt là hiện tượng tất yếu xảy ra trong quá trình gia công, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ dụng cụ. Nguyên lý cắt cung cấp các công cụ đánh giá mòn thông qua tiêu chuẩn mài mòn chuẩn mực. Tuổi bền của dụng cụ cắt phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ cắt, chiều sâu cắt và lượng chạy dao. Công thức tính tốc độ cắt cho phép là cơ sở để lựa chọn chế độ cắt phù hợp, đảm bảo năng suất tối ưu. Việc chọn chế độ cắt bằng phương pháp tính toán giúp cân bằng giữa hiệu suất sản xuất và tuổi thọ dụng cụ.

4.1. Mòn Dụng Cụ Cắt và Quy Luật Mài Mòn

Hiện tượng mòn bắt đầu từ những vi vết trên bề mặt dao, dần dần phát triển thành những rãnh mòn sâu. Quy luật mài mòn tuân theo các giai đoạn: mòn ban đầu, mòn đều đặn và mòn nhanh chóng. Tiêu chuẩn đánh giá mòn dựa trên chiều sâu rãnh mòn, thay đổi kích thước chi tiết. Giám sát mòn giúp xác định thời điểm thay dao phù hợp.

4.2. Tuổi Bền và Tối Ưu Hóa Chế Độ Cắt

Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến tuổi bền rất lớn, tốc độ cao làm giảm tuổi bền theo hàm mũ. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao ít rõ rệt hơn so với tốc độ. Vận tốc cắt tối ưu được lựa chọn để cân bằng giữa năng suất và chi phí. Công thức tính dựa trên kim loại gia công, vật liệu dao và yêu cầu chất lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: VẬT LIỆU LÀM DAO 1. Yêu cầu chung của vật liệu dụng cụ cắt. Khi cắt, dao làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, nhiệt độ trong vùng cắt có làm ành hààng xàu ààn chàt lààng bà màt chi tiàt gia công, ààng thài bàn làm càa giàmdàng tuàicà càt.Quá trình mài phát sinh nhiệt lớn. thể đến 700 + 800°C có khi đạt đến hàng nghìn độ khi mài.

Nhiệt độ vùng cắt càng cao Điều kiện làm việc của dụng cụ cắt rất khắc nghiệt, dụng cụ cắt luôn phải chịu tải trọng lớn, va đập, rung động , ma sát lớn (hệ số ma sát lên đến 0,4 đến 1) làm cho lưỡi cắt dễ bị mẻ, đặc biệt các lưỡi cắt có độ cứng cao dễ bị vỡ vì quá giòn. Một số phương pháp gia công như chuốt, khoan thì điều kiện thoát phoi khó khăn nên dễ nên dễ gây ra hiện tượng kẹt dao dẫn đến gẫy dao. Như vậy, vật liệu được chọn làm dụng cụ cắt gọt phải đảm bảo được những yêu cầu cơ bản như sau. Muốn cắt được kim loại thì vật liệu làm dao phải có độ cứng cao hơn vật liệu cần gia công.3 dưới đây để thấy được tương quan giữa vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu gia công.

Như chúng ta đã biết dụng cụ cắt làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt do đó dễ làm lưỡi cắt dễ bị mẻ, vỡ, nhất là với các lưỡi cắt có độ cứng cao sẽ dễ vỡ vì quá giòn. Vì vậy vật liệu dụng cụ cắt phải có độ bền cơ học cao, đặc biệt với các dụng cụ có tiết diện bé, lưỡi cắt yếu cần phải quan tâm đến độ bền của thân dao. Trong điều kiện gia công cụ thể như: vật liệu gia công càng cứng, chiều sâu cắt và bước tiến càng lớn, tốc độ cắt càng nhanh thì nhiệt cắt càng cao, có khi đến hàng nghìn độ. Ở nhiệt độ này, vật liệu dụng cụ cắt có thể thay đổi cấu trúc của nó làm cho độ cứng của dụng cụ cắt giảm đi, làm giảm năng suất gia công, giảm tuổi bền của dụng cụ cắt, ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt gia công.

Vì thế mà vật liệu được chọn làm dụng cụ cắt phải đảm bảo độ bền nóng. Như vậy, ta hiểu độ bền nóng - một trong những tính chất quan trọng của vật liệu dụng cụ cắt là khả năng giữ được độ cứng cao và các tính cắt khác ở nhiệt độ cao trong một thời gian dài. Tính chịu mài mòn. Khi dụng cụ cắt làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, ma sát lớn thì tất yếu xảy ra hiện tượng mòn dao.

Ở điều kiện nhiệt độ bình thường thì độ cứng của vật liệu làm dao càng cứng thì tính chịu mài mòn càng cao. Khi độ cứng trên 60HRC, độ cứng tăng lên 1 đơn vị thì tính chống mài mòn tăng 25 +• 30%. Tuy nhiên, khi nhiệt độ cắt lên đến 700 +• 800 :c thì nguyên nhân mòn cơ học không còn là chủ yếu, nguyên nhân chủ yếu là do sự chảy dính, bám dính giữa vật liệu làm dao và vật liệu gia công. Kết hợp với sự giảm độ cứng của vật liệu càng làm cho hiện tượng mài mòn xảy ra khốc liệt và phức tạp.

cho ta biết nhiệt độ chảy dính của một số cặp vật liệu. Nhiệt độ chảy dính của một số cặp vật liệu. Cặp vật liệu Nhiệt độ chảy dính Cácbít Vônfram - Thép 1100°C Cácbít Titan - Thép 1150 °C Hợp kim Cô ban (5%) - Thép 675 °C Hợp kim Cô ban (20%) - Thép 600 °C Vì vậy, dụng cụ cắt phải có tính chịu mài mòn cao. Độ cứng, độ bền và tính dẻo dai của một số nhóm vật liệu.Tính công nghệ và tính kinh tế.

Những tính chất trên của vật liệu nhằm đảm bảo khả năng cắt gọt của dụng cụ cắt, tuy nhiên khi chế tạo sẽ gặp những khó khăn hơn so với các vật liệu thông thường. Do đó, yêu cầu chọn vật liệu dụng cụ cắt phải có tính công nghệ tốt. Tính công nghệ thể hiện qua việc chế tạo dao dễ hay khó. Vì thế mà một số vật liệu làm dao tuy có tính cắt tốt nhưng ít được sử dụng vì tính công nghệ của nó không cao.

Tùy thuộc vào đặc điểm của từng loại vật liệu mà yêu cầu tính công nghệ khác nhau, chẳng hạn yêu cầu và tính công nghệ của thép các bon dụng cụ là: - Dễ cắt gọt, dễ rèn dập và cán. - Dễ nhiệt luyện (Khó bị cháy, thoát các bon ít, tính tôi và độ thấm tôi cao, ít bị biến dạng và các vết nứt tế vi khi tôi.) - Sau khi nhiệt luyện dễ mài. Đối với hợp kim cứng hai yêu cầu đầu tiên không cần thiết, nhưng tính dễ mài rất quan trọng cũng như không được có các vết nứt. 11 Ngoài những yêu cầu nói trên, vật liệu dụng cụ cắt cũng cần có tính dẫn nhiệt tốt, độ dai chống va đập cao và giá thành phải hợp lý.

Vật liệu dụng cụ cắt. Có rất nhiều nhóm vật liệu dụng cụ cắt, từ thép các bon dụng cụ đến hợp kim gốm, vật liệu hạt mài. Sau đây, chúng ta sẽ đi tìm hiểu về tính cắt của một số nhóm vật liệu dụng cụ cắt thông dụng. Thép các bon dụng cụ.

Thép các bon dụng cụ là vật liệu được sử dụng lâu đời nhất, khoảng 100 năm trước đây. Thực chất thép các bon dụng cụ là thép các bon có hàm lượng cao, không thấp hơn 0,7% C. Theo TCVN, ta có một số mác thép các bon dụng cụ như: CD70, CD80, CD100, CD120A. Ví dụ với mác thép CD120A với CD là ký hiệu của thép các bon dụng cụ, chỉ số đứng kế tiếp là hàm lượng các bon tính theo phần vạn (120/10000 hay1,2%), A - là ký hiệu cho biết đây là thép tốt, với hàm lượng S < 0,02%, P < 0,03%.

Vì S và P làm giảm chất lượng của thép (P làm cho thép giòn, S làm cho thép khó rèn, hàn và làm cho thép giòn ở nhiệt độ cao). Đặc tính cơ bản của thép các bon dụng cụ như sau: Sau khi ủ có độ cứng 107 217 HB. Độ cứng sau tôi + ram khoảng 60 -ỉ- 62 HRC đủ để cất gọt. • Độ thấm tôi thấp, chiều dày lớp thấm tôi mỏng.

• Cần chọn môi trường tôi phù hợp để đảm bảo chiều dảy lớp thấm tôi. Tuy nhiên, nó có ưu điểm lả lõi dẻo dai. • Tính chịu nhiệt kém: khoảng 200 4- 250DC. • Tốc độ cắt thấp, khoảng 4 4- 5(m/ph).

Với những đặc tính cơ bản trên thì thép các bon dụng cụ thường được dùng để chế tạo các dụng cụ cắt có tốc độ cắt thấp, lõi dẻo dai. Chẳng hạn như đục, dũa, ta rô đường kính nhỏ, mũi khoan nhỏ. Thép hợp kim dụng cụ. Nhược điểm chủ yếu của thép các bon dụng cụ là độ bền nóng thấp.

Để cải thiện tính năng cắt gọt của nó, người ta cho thêm các Crôm (Cr), vanađi (V), môlipđen (Mo). Và đặc biệt với sự có mặt của vônfram (W) và côban (Co) thì độ cứng, độ bền, khả năng chịu nhiệt được cải thiện thêm. Thép các bon dụng cụ với 13 các nguyên tố hợp kim được thêm vào được gọi là thép hợp kim dụng cụ. Các nguyên tố hợp kim có hai tác dụng: - Tăng tính thấm tôi của thép, do đó tăng độ cứng.

- Cải thiện độ bền nóng của thép, nâng cao tốc độ cắt, do đó nâng cao được năng suất gia công. Một số tính năng cơ bản của thép hợp kim dụng cụ. 14 - Theo TCVN thì quy định về ký hiệu của thép hợp kim dụng cụ nhu sau: Chẳng hạn với mác thép 12CrNi3 thì chỉ số đầu tiên cho biết hàm luợng các bon tính theo phần vạn (12/10000 hay 0,12%), kế tiếp là ký hiệu của các nguyên tố chính có trong thành phần của thép, sau mỗi ký hiệu nguyên tố là thành phần % của chúng. Nguyên tố nào mà sau nó không ghi chỉ số kèm theo thì mặc định thành phần của chúng < 1%, trong ví dụ này thì hàm luợng Cr < 1%, hàm luợng Ni ~ 3%.

- Theo tiêu chuẩn Nga thì ký hiệu của các nguyên tố hợp kim nhu sau: Bảng 1.2: Ký hiệu một số nguyên tố hợp kim theo tiêu chuẩn Nga. STT Tên nguyên tố Ký hiệu tiêu chuẩn Nga 1 Nitơ (N) A 2 Vônfram (W) B 3 Silic (Si) C 4 Đồng (Cu) ữ 5 Côban (Co) K 6 Bo (B) P 7 Sêlen (Se) E 8 Phốt pho (P) n 9 Mangan (Mn) r 10 Niôbi (Nb) E 11 Niken (Ni) H 12 Titan (Ti) T 13 Vannađi (V) 0 14 Crôm (Cr) X Đối với thép hợp kim dụng cụ, ta chọn mác thép 9XBr để chế tạo các loại dao phay ngón, calip ren. Thép X6BO, 5XB2C, 6XB2C dùng để chế tạo dụng cụ cán ren. Các mác thép 4XC, 6XC, 4XB2C dùng để chế tạo các dụng cụ cắt nóng.

Thép gió tên tiếng Anh High Speed Steel (Viết tắt là HSS). Nền cơ bản của thép gió vẫn là thép các bon nhưng có hàm lượng các bon cao hơn, trung bình khoảng 1,45% C. Để có tính cắt tốt, người ta cho thêm vào thép một hàm lượng vônfram đáng kể. Ngoài vônfram ra còn có một hàm lượng nhỏ các nguyên tố 15 hợp kim như: Cr, V, Co.

Những nguyên tố như W, Cr, V kết hợp với C tạo thành những các bít có độ cứng cao và chịu mòn tốt. Trong đó, WC (các bít vônfram) đóng vai trò quyết định đến tính cắt. Do đó, thép gió có những tính năng cắt cơ bản như sau: - Độ thấm tôi lớn, độ cứng sau khi tôi khoảng 62:631 IRC. - Độ bền nóng khoảng 610°C.

- Tốc độ cắt khoảng 25:35 (m/ph) - Có tính mài tốt. Thép gió được ký hiệu như sau biệt giữa hai loại thép gió này: N — - Năng suất cắt và độ bền nóng khác nhau không đáng kể. --- - Dụng cụ làm bằng P18 dễ mài hơn, dễ nhiệt luyện hơn. 1 - P18 chịu mòn tốt hơn, có tính bền cao hơn.

r — N Ngoài hai loại P18 và P9 còn xuất hiện thêm các loại thép gió có năng suất cao. Nhờ tăng thêm thành phần V và Co (với tỷ lệ 5 - 10% ) nên khả năng chịu nhiệt và khả năng chống mòn của loại thép này cao hơn. Một số ưu điểm của nhóm thép này so với P18 và P9 như sau: —. _____ _ -Các mác thép gió P18K10, P10K5d>5 có độ bên nóng từ 630 4- 650°C.

- CÓ thê nâng cao tôc độ căt lên 5 4- 10% so với P18. - Tăng mối bền của dụng cụ cắt lên 1,5 4- 3 lần.