GIÁO TRÌNH NGUYÊN LÝ CẮT – MÃ MÔ ĐUN: MH 13 (NGÀNH CẮT GỌT KIM LOẠI)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Nguyên Lý Cắt (mã số mô đun: MH 13) do Trường Cao đẳng Nghề An Giang biên soạn và ban hành năm 2020 theo quyết định của Hiệu trưởng, với chủ biên là Trần Văn Dũng. Mô đun có tổng thời lượng đào tạo 30 giờ, bao gồm 24 giờ lý thuyết, 4 giờ thực hành/thí nghiệm/thảo luận và 2 giờ kiểm tra. Trong chương trình đào tạo ngành Cắt gọt kim loại ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề, Nguyên Lý Cắt là mô đun chuyên môn nghề thuộc khối mô đun tự chọn, được bố trí giảng dạy sau khi người học đã hoàn thành các môn học tiên quyết từ MH07 đến MH11, đồng thời đóng vai trò kiến thức nền tảng phục vụ môn học Công nghệ chế tạo máy.

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung trang bị cho người học năng lực nhận diện cấu tạo hình học và các góc độ cơ bản của dụng cụ cắt; giải thích bản chất các hiện tượng vật lý phát sinh trong quá trình cắt gọt (biến dạng, lực cắt, nhiệt cắt, ma sát, mòn dao); xác định và tính toán chế độ cắt hợp lý bằng phương pháp giải tích kết hợp tra bảng; đọc hiểu bản vẽ dụng cụ cắt; lựa chọn đúng mác vật liệu làm dao và thực hiện mài dao đúng phương pháp kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình gồm 12 chương, được thiết kế theo tiến trình từ cơ sở lý thuyết tổng quát đến ứng dụng chuyên biệt trên từng phương pháp gia công cơ khí. Điểm đặc thù của tài liệu là sự chuẩn hóa các khái niệm, ký hiệu hình học theo hệ thống tiêu chuẩn mới trên cơ sở đối chiếu chi tiết với các tiêu chuẩn kỹ thuật trước đây (TCVN, GOST của Liên Xô cũ) và tiêu chuẩn quốc tế ISO.

+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                         CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN MH 13: NGUYÊN LÝ CẮT (30 GIỜ)                           |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
| • Lý thuyết: 24 giờ  |  • Thực hành, thảo luận: 4 giờ  |  • Kiểm tra: 2 giờ (Chương 6 & Chương 12) |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
|  KHỐI KIẾN THỨC CƠ SỞ VẬT LÝ    |               |         KHỐI CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CẮT        |
| Chương 1: Vật liệu làm dao      |               | Chương 2: Tiện và dao tiện                       |
| Chương 3: Quá trình cắt kim loại|               | Chương 6: Chọn chế độ cắt khi tiện               |
| Chương 4: Lực cắt khi tiện      |               | Chương 7: Bào và xọc                             |
| Chương 5: Nhiệt cắt & mòn dao   |               | Chương 8: Gia công lỗ (Khoan, khoét, doa)        |
|                                 |               | Chương 9: Phay                                   |
|                                 |               | Chương 10: Cắt bánh răng                         |
|                                 |               | Chương 11: Cắt ren (Ta-rô, bàn ren)              |
|                                 |               | Chương 12: Mài                                   |

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình triển khai toàn diện hệ thống lý thuyết cắt gọt kim loại qua 12 chương chuyên đề có tính kế thừa và logic nối tiếp:

  • Chương 1: Vật liệu làm dao: Phân loại và yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu làm thân dao (CT51, CT61, C35, C45, 40Cr) và vật liệu làm phần cắt. Phân tích chi tiết hai nhóm vật liệu phần cắt: nhóm thép (thép cacbon dụng cụ Y7A–Y12A, thép hợp kim 9XC, XГ, XBГ, thép gió P9, P18) và nhóm không thép (gốm sứ kỹ thuật ЦM 332, kim cương nhân tạo, Nitrit Bo lập phương El-bor/Borazon, hợp kim cứng BK, TK, TTK phân loại theo ISO thành nhóm K, P, M).
  • Chương 2: Khái niệm về tiện và dao tiện: Định nghĩa phương pháp tiện, các chuyển động cơ bản ($v_c, S_d, S_n$), các yếu tố chế độ cắt ($v, S, t$), diện tích lớp cắt ($F_c = S \cdot t = a \cdot b$), thời gian chạy máy ($T_m$). Khảo sát kết cấu dao, các mặt phẳng toạ độ (mặt đáy, mặt cắt, tiết diện chính, tiết diện phụ), các thông số góc độ ($\gamma, \alpha, \beta, \delta, \varphi, \varphi_1, \lambda$) và quy luật biến đổi góc độ làm việc do gá đặt sai lệch tâm ($\Delta h$).
  • Chương 3: Quá trình cắt kim loại: Cơ chế tạo phoi và phân loại phoi; hiện tượng biến dạng kim loại (biến dạng bình quân BDBQ, biến dạng tổng cộng BDTC); hiện tượng co phoi, lẹo dao (phoi bám), hóa cứng bề mặt gia công; nguyên nhân rung động cưỡng bức và vai trò, phương pháp sử dụng dung dịch trơn nguội (nhũ tương Êmunxi).
  • Chương 4 & 5: Lực cắt, nhiệt cắt và sự mòn dao: Phân tích các thành phần lực cắt khi tiện ($P_z, P_x, P_y$), công thức tính lực cắt và công suất cắt; nguồn gốc sinh nhiệt trong vùng cắt; các dạng mòn dao và các chỉ tiêu xác định độ mòn (tiêu chuẩn lực đẩy, tiêu chuẩn độ mòn thích hợp, tiêu chuẩn kỹ thuật).
  • Chương 6: Tốc độ cắt cho phép – Lựa chọn thông số cắt: Trình tự xác định chế độ cắt bằng phương pháp giải tích tính toán theo độ bền, độ cứng vững và phương pháp tra cứu bảng số liệu.
  • Chương 7 đến Chương 12: Các phương pháp gia công điển hình: Trình bày nguyên lý, kết cấu dụng cụ, thông số hình học, động học cắt và chế độ cắt cho từng dạng công nghệ:
    • Bào và xọc (Chương 7): Đặc điểm cắt gián đoạn, động học và cách tính thời gian máy.
    • Gia công lỗ (Chương 8): Kết cấu mũi khoan xoắn, ảnh hưởng của góc xoắn, góc nghiêng chính, phương pháp mài sửa lưỡi ngang; động học khoét và doa.
    • Phay (Chương 9): Dao phay trụ, dao phay mặt đầu, thành phần lớp cắt và công suất phay.
    • Cắt bánh răng (Chương 10): Phương pháp chép hình (dao phay đĩa mô-đun) và bao hình (dao phay lăn răng, dao xọc răng), mài định hình, mài bao hình và vê đầu răng.
    • Gia công ren (Chương 11): Cắt ren bằng ta-rô và bàn ren tròn, xác định mô-men xoắn và thời gian máy.
    • Mài (Chương 12): Đặc điểm hạt mài, chất kết dính, cấu trúc đá mài; các phương pháp mài tròn ngoài, mài lỗ, mài không tâm và mài phẳng.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập các cơ sở khoa học kỹ thuật thông qua ba trụ cột kiến thức:

  1. Lý thuyết vật lý quá trình cắt: Bản chất đàn hồi và biến dạng dẻo của phôi dưới tác dụng của nêm cắt; quy luật phát sinh và phân bố nhiệt giữa chi tiết, dụng cụ cắt và phoi; cơ chế ma sát tiếp xúc ở mặt trước và mặt sau dao.
  2. Nguyên lý hình học dụng cụ cắt: Hệ tọa độ không gian tĩnh và hệ tọa độ động khi gia công; nguyên lý dịch chuyển góc độ thực tế khi gá đặt dao cao/thấp hơn đường tâm máy ($\sin\tau = \Delta h / r$) hoặc khi trục thân dao không vuông góc với tâm máy.
  3. Hệ thống phân loại vật liệu dụng cụ cắt: Đối chiếu mác vật liệu theo tiêu chuẩn GOST (BK, TK, TTK) và hệ thống tiêu chuẩn ISO (Nhóm K: gia công phoi vụn, gang, kim loại màu; Nhóm P: gia công thép, phoi dây; Nhóm M: gia công vật liệu hợp kim đặc biệt khó gia công).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Thiết lập công thức và tính toán các thông số công nghệ: tốc độ cắt $v = \frac{\pi D n}{1000}$ (m/phút), diện tích lát cắt $F_c = S \cdot t$, lượng chạy tới $\Delta = t \cdot \cot\varphi$, lượng chạy quá $y = t \cdot \tan\varphi_1$, thời gian máy $T_m = \frac{L \cdot i}{n \cdot S}$.
  • Kỹ năng phân tích công nghệ: Nhận diện và xử lý các hiện tượng vật lý bất lợi trong quá trình gia công như lẹo dao, rung động cưỡng bức, hóa cứng bề mặt và hiện tượng mòn mặt trước/mặt sau của lưỡi cắt.
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp: Đọc bản vẽ kết cấu dụng cụ cắt; lựa chọn hình học dao phù hợp cho từng nguyên công tiện, bào, khoan, phay, mài; mài sửa góc độ mũi khoan xoắn và lưỡi cắt của dao tiện theo yêu cầu kỹ thuật an toàn.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Mô đun MH 13 được tổ chức giảng dạy kết hợp giữa lý thuyết chuyên môn và phân tích ứng dụng thực nghiệm với tổng thời lượng 30 giờ.

+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                             CƠ CẤU PHÂN PHỔI THỜI LƯỢNG MÔ ĐUN MH 13                               |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Lý thuyết chuyên sâu:              24 giờ (80,0%)   | Phân tích giải tích, nguyên lý, vật liệu     |
| Thực hành, thảo luận, bài tập:     04 giờ (13,3%)   | Tính toán chế độ cắt, tra bảng số liệu       |
| Kiểm tra đánh giá định kỳ:         02 giờ (06,7%)   | Đánh giá kết quả tại Chương 6 và Chương 12   |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Phương pháp sư phạm của giáo trình đi từ việc mô tả bản chất vật lý cơ bản đến việc lượng hóa các đại lượng công nghệ. Kiến thức lý thuyết được minh họa bằng các sơ đồ tiếp xúc, sơ đồ phân tích véc-tơ lực và đồ thị nhiệt độ. Người học được tiếp cận đồng thời hai phương pháp xác định chế độ cắt: phương pháp giải tích (tính toán dựa trên công thức thực nghiệm và điều kiện bền của máy) và phương pháp tra cứu bảng số liệu tiêu chuẩn trong sổ tay công nghệ chế tạo máy.

Bài tập và phương pháp đánh giá

Giáo trình tích hợp các bài tập tính toán cụ thể:

  • Tính vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao và thời gian máy $T_m$ cho các nguyên công tiện ngoài, tiện ngang, bào và khoan lỗ.
  • Tính toán sự thay đổi góc độ làm việc của dao tiện ($\gamma_t = \gamma - \tau; \alpha_t = \alpha + \tau$) khi gá đặt lệch tâm một lượng $\Delta h$.
  • Tính lực cắt tiếp tuyến $P_z$, lực hướng kính $P_y$, lực dọc trục $P_x$ và công suất cắt yêu cầu để kiểm tra công suất động cơ máy công cụ.

Đánh giá kết quả học tập bao gồm kiểm tra định kỳ 2 giờ (bố trí kiểm tra lý thuyết và bài tập tại Chương 6 về chọn chế độ cắt khi tiện và Chương 12 về nguyên lý mài), kết hợp đánh giá thường xuyên thông qua hệ thống câu hỏi ôn tập tại cuối mỗi chương.

Hướng dẫn tự học

Cuối mỗi chương đều có hệ thống câu hỏi ôn tập định hướng tự học (tổng cộng 12 bộ câu hỏi ôn tập từ Chương 1 đến Chương 12). Người học cần tự trả lời các câu hỏi về phân loại vật liệu, vẽ lại sơ đồ góc độ dụng cụ cắt, phân tích các hiện tượng nhiệt, lực và tự giải các bài tập chọn chế độ cắt trước khi bước vào thực tập xưởng tại các xưởng tiện, phay, bào, mài.

Điểm nổi bật và cập nhật

Hệ thống hóa và đối chiếu tiêu chuẩn kỹ thuật

Tài liệu thực hiện chuẩn hóa việc chuyển đổi các ký hiệu hình học dao và mác vật liệu từ tiêu chuẩn Liên Xô cũ (GOST) sang tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và tiêu chuẩn quốc tế (ISO). Điển hình là bảng đối chiếu chi tiết vật liệu hợp kim cứng giữa mác GOST (BK2, BK6, BK8, T15K6, T5K10, TT7K12,...) với các nhóm ứng dụng ISO:

  • Nhóm K (K01 – K50): Hợp kim cứng một cacbit (WC + Co), chuyên dùng gia công gang, kim loại màu, vật liệu phi kim cho phoi vụn.
  • Nhóm P (P01 – P40): Hợp kim cứng hai cacbit (WC + TiC + Co), chuyên dùng gia công thép cho phoi dây liền.
  • Nhóm M (M01 – M40 / MS0): Hợp kim cứng ba cacbit (WC + TiC + TaC + Co), chuyên dùng gia công các loại thép hợp kim có độ bền cao và vật liệu khó gia công.
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                 BẢNG ĐỐI CHIẾU MÁC HỢP KIM CỨNG THEO TIÊU CHUẨN ISO VÀ GOST                         |
+-------------------+--------------------------------+-----------------------------------------------+
| Nhóm ISO          | Mác theo GOST (Liên Xô cũ)     | Lĩnh vực ứng dụng chuyên biệt                 |
+-------------------+--------------------------------+-----------------------------------------------+
| Nhóm K (K01-K50)  | BK2, BK3, BK4, BK6, BK8, BK10  | Gia công gang, kim loại màu, phoi vụn         |
| Nhóm P (P01-P40)  | T30K4, T15K6, T14K8, T5K10     | Gia công các loại thép, phoi dây dẻo          |
| Nhóm M (M01-M40)  | TT7K12, TT10K8B, BK6OM, BK10OM | Gia công thép bền cao, vật liệu khó gia công  |
+-------------------+--------------------------------+-----------------------------------------------+

Tích hợp dữ liệu vật liệu dụng cụ cắt hiện đại

Giáo trình cập nhật các thông số cơ lý tính và công nghệ của các loại vật liệu dụng cụ cắt tiên tiến:

  • Vật liệu gốm sứ kỹ thuật ($\text{ЦM 332}$): Thành phần từ $\gamma\text{-Al}_2\text{O}_3$ và $\alpha\text{-Al}_2\text{O}_3$, chế tạo bằng phương pháp thiêu kết ở $1400^\circ\text{C} - 1600^\circ\text{C}$, độ cứng đạt $92 - 95\text{ HRA}$, khả năng chịu nhiệt đến $1200^\circ\text{C}$.
  • Công nghệ phủ màng mỏng: Cập nhật công nghệ phủ các lớp hợp chất TiC, TiN với chiều dày $3 - 15,\mu\text{m}$ trên nền mảnh hợp kim cứng để tăng khả năng chống mài mòn.
  • Vật liệu siêu cứng: Kim cương nhân tạo tổng hợp từ graphit ở áp suất $100.000\text{ atm}$, nhiệt độ $2500^\circ\text{C}$ (chịu mòn gấp 10 lần hợp kim cứng); Nitrit Bo lập phương (El-bor / Bo-ra-zôn) có khả năng làm việc ở nhiệt độ lên tới $2000^\circ\text{C}$.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình Nguyên Lý Cắt được biên soạn nhằm phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống giáo dục nghề nghiệp và kỹ thuật cơ khí:

                                  ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG GIÁO TRÌNH
|   SINH VIÊN     |            |   GIẢNG VIÊN    |            | KỸ THUẬT VIÊN   |            |  THỢ CƠ KHÍ     |
| CAO ĐẲNG NGHỀ   |            |   CHUYÊN NGÀNH  |            | PHÂN XƯỞNG      |            |  GIA CÔNG CẮT   |
| Học mô đun MH13 |            | Làm tài liệu    |            | Tra cứu chế độ  |            | Tra cứu góc dao,|
| theo chương     |            | chuẩn biên soạn |            | cắt, bảng số    |            | mác vật liệu    |
| trình đào tạo   |            | giáo án, bài tập|            | liệu gia công   |            | và mài dao      |
  1. Học sinh, sinh viên: Người học bậc Trung cấp và Cao đẳng nghề thuộc nghề Cắt gọt kim loại, Công nghệ kỹ thuật cơ khí hoặc Chế tạo máy sử dụng làm tài liệu học tập chính thức cho mô đun MH 13.
  2. Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức kỹ thuật cơ sở bao gồm các môn học từ MH07 đến MH11 (Vẽ kỹ thuật cơ khí, Dung sai lắp ghép và đo lường kỹ thuật, Vật liệu học và xử lý nhiệt, Cơ sở kỹ thuật cơ khí).
  3. Giảng viên chuyên ngành cơ khí: Sử dụng giáo trình làm khung tài liệu tham khảo để biên soạn bài giảng lý thuyết, thiết kế bài tập tính toán và xây dựng đề thi kiểm tra đánh giá năng lực nghề nghiệp.
  4. Kỹ thuật viên và thợ gia công cơ khí: Dùng làm sổ tay tham khảo tại phân xưởng để tra cứu thông số góc độ dụng cụ cắt, nhận diện mác vật liệu mảnh dao cắt và xử lý các sự cố bề mặt trong quá trình vận hành máy công cụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng nghề ngành Cắt gọt kim loại, đồng thời là tài liệu tham khảo cho giảng viên kỹ thuật và công nhân cơ khí tại các phân xưởng gia công.

2. Cần kiến thức nền nào để học mô đun này?

Người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học tiên quyết MH07, MH08, MH09, MH10 và MH11, nắm vững kiến thức về bản vẽ kỹ thuật, dung sai lắp ghép, tính chất cơ lý của vật liệu kim loại và các chuyển động cơ bản trong gia công cơ khí.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu khác là gì?

Tài liệu cung cấp cấu trúc đối chiếu trực tiếp giữa các tiêu chuẩn kỹ thuật cũ (GOST) và tiêu chuẩn hiện hành (ISO, TCVN), bổ sung các số liệu về vật liệu gốm sứ ЦM 332, phủ TiC/TiN, kim cương nhân tạo và Nitrit Bo lập phương, đồng thời phân tích chi tiết sự biến đổi góc dao do gá lắp sai lệch tâm máy.

4. Làm sao để tự học giáo trình hiệu quả?

Người học nên học lý thuyết song song với việc giải các bài tập tính toán chế độ cắt ($v, S, t, T_m$), trả lời toàn bộ 12 bộ câu hỏi ôn tập cuối mỗi chương và quan sát trực tiếp các hiện tượng hình thành phoi, mòn dao trong quá trình thực tập xưởng.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Giáo trình bao gồm hệ thống bảng số liệu tra cứu thành phần hóa học thép dụng cụ, bảng cơ lý tính của hợp kim cứng, bảng ký hiệu ISO/GOST, công thức tính toán lực cắt, công suất cắt và hệ thống 12 bộ câu hỏi ôn tập định hướng nghiên cứu.

Kết luận

Giáo trình Nguyên Lý Cắt (MH 13) của Trường Cao đẳng Nghề An Giang cung cấp hệ thống kiến thức khoa học và dữ liệu kỹ thuật chuẩn xác về bản chất của quá trình cắt gọt kim loại. Lộ trình tiếp cận từ nghiên cứu vật liệu dụng cụ cắt, phân tích bản chất vật lý (biến dạng, lực, nhiệt, mòn dao) đến việc thiết lập chế độ cắt tối ưu trên các dòng máy công cụ (tiện, bào, khoan, phay, cắt răng, ren, mài) giúp người học hình thành năng lực thiết kế quy trình công nghệ gia công cơ khí hoàn chỉnh, làm tiền đề trực tiếp để tiếp thu môn học Công nghệ chế tạo máy.