Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Nguyên lý cắt (Mã môn học: MH CG 13) do tập thể giảng viên Khoa Cơ khí, Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ (trực thuộc Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội) biên soạn, với sự chủ biên của ông Lê Văn Hùng, hoàn thành và lưu hành năm 2021. Trong chương trình đào tạo nghề Cắt gọt kim loại trình độ Cao đẳng nghề, đây là mô-đun chuyên môn nghề bắt buộc, được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các môn học và mô-đun tiên quyết gồm MH07, MH08, MH09, MH10, MH11, MH14 và MH15. Môn học có tổng thời lượng 45 giờ, bao gồm 34 giờ lý thuyết, 8 giờ bài tập và 3 giờ kiểm tra.

Mục tiêu học tập của giáo trình nhằm trang bị cho người học năng lực:

  • Xác định hình dáng hình học và các góc độ cơ bản của dụng cụ cắt ở trạng thái tĩnh và trạng thái động.
  • Giải thích các hiện tượng vật lý phát sinh trong vùng cắt như biến dạng kim loại, hiện tượng lẹo dao, cứng nguội, rung động, sự hình thành nhiệt và ma sát.
  • Lựa chọn vật liệu làm dao, xác định các thông số hình học phù hợp cho từng nguyên công gia công cụ thể.
  • Tính toán và tra bảng để xác định chế độ cắt ($v, s, t$), tính lực cắt, công suất cắt và thời gian gia công cơ bản.
  • Đọc bản vẽ kết cấu dụng cụ cắt và thực hiện các nguyên tắc mài dao đúng quy trình kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình gồm 13 chương, đi từ lý thuyết cơ sở về vật liệu dao, cơ chế tạo phoi, động học và lực cắt đến từng phương pháp gia công cắt gọt cụ thể. Điểm đặc thù của tài liệu là nội dung giảng dạy bám sát cấu hình trang thiết bị thực tế tại các xưởng trường và đáp ứng các tiêu chuẩn công nghệ gia công chi tiết cơ khí tại doanh nghiệp sản xuất.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung 13 chương trong giáo trình phát triển theo chuỗi logic từ cơ sở vật liệu, hiện tượng vật lý đến các công nghệ cắt gọt điển hình:

  • Chương 1 – Vật liệu làm dao: Phân tích các nhóm vật liệu làm thân dao và phần cắt: thép cacbon dụng cụ (mác Y10A, Y7, Y8), thép hợp kim dụng cụ (9XC, CrWMn, XB5, Cr05), thép gió (P9, P18), hợp kim cứng (nhóm một cacbit BK/K, nhóm hai cacbit TK/P, nhóm ba cacbit TTK/M; phân loại theo ISO: P, M, K), vật liệu gốm ($Al_2O_3$, gốm trộn $TiC/WC$, gốm không oxit $Si_3N_4$) và vật liệu siêu cứng (kim cương nhân tạo, Nitrit Bo lập phương – Elbor).
  • Chương 2 – Khái niệm về tiện và dao tiện: Cấu tạo dao tiện (mặt trước, mặt sau chính, mặt sau phụ, lưỡi cắt chính/phụ, mũi dao); hệ tọa độ và mặt phẳng quy ước (mặt đáy, mặt cắt, tiết diện chính $N-N$, tiết diện phụ $N_1-N_1$); các góc độ cơ bản ($\gamma, \alpha, \beta, \delta, \varphi, \varphi_1, \lambda$); sự thay đổi góc dao khi làm việc (gá dao lệch trục, gá cao hoặc thấp hơn tâm máy theo công thức $\sin\theta = H/R$, do chuyển động chạy dao ngang $S_n$ hoặc chạy dao dọc $S_d$).
  • Chương 3 – Quá trình cắt kim loại: Cơ chế tạo thành ba loại phoi (phoi vụn, phoi xếp, phoi dây); biến dạng tổng cộng và biến dạng bình quân; hệ số co rút phoi ($K_L, K_a$); bản chất hiện tượng lẹo dao trong dải tốc độ $v_1 - v_2$; hiện tượng cứng nguội bề mặt; rung động gia công (rung động cưỡng bức và tự rung); các chỉ tiêu nhám bề mặt ($R_a, R_z, R_{max}, h_q$); tác dụng bôi trơn và làm nguội của dung dịch tưới nguội (dung dịch nước chứa xút/axit nitrit loãng khi gia công thô; dầu thực vật/axit béo khi gia công tinh).
  • Chương 4 – Lực cắt khi tiện: Phân tích lực cắt không gian $P$ thành ba thành phần: lực tiếp tuyến $P_z$ (lực cắt chính), lực hướng kính $P_y$ (lực đẩy ngang gây võng chi tiết) và lực chiều trục $P_x$ (lực chạy dao). Tỷ lệ lực chuẩn $P_z : P_y : P_x = 1 : 0.25 : 0.4$ (với $P \approx 1.11 P_z$); công thức tính công suất cắt $N_c$ và các nhân tố ảnh hưởng từ vật liệu phôi, vật liệu dao, tốc độ cắt $v$ và chất bôi trơn.
  • Chương 5 và Chương 6 – Nhiệt cắt, sự mòn dao và Chọn chế độ cắt khi tiện: Cơ chế mài mòn dụng cụ, trình tự tính toán chế độ cắt giải tích và phương pháp chọn chế độ cắt bằng bảng số tra cứu.
  • Chương 7 đến Chương 10 – Bào, Xọc, Khoan, Khoét, Doa, Phay, Chuốt: Khảo sát đặc điểm động học, cấu tạo dao bào/xọc, dao phay mặt trụ/mặt đầu, dao chuốt; động học phay thuận và phay nghịch; phương pháp xác định lực cắt và chế độ cắt cho từng dạng dụng cụ.
  • Chương 11 đến Chương 13 – Cắt bánh răng, Cắt ren và Mài: Các phương pháp gia công răng (dao phay đĩa môđun, dao phay lăn răng, dao xọc răng, mài răng); công nghệ cắt ren bằng ta rô, bàn ren và tiện ren; nguyên lý mài, cấu tạo đá mài và cách chọn chế độ mài.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết cắt kim loại dựa trên các nguyên lý vật lý và cơ học vật rắn:

  • Cơ học biến dạng dẻo: Giải thích quá trình chuyển tiếp từ nén đàn hồi, trượt tinh thể dọc theo mặt trượt $\beta_1$ đến phá hủy trượt tạo phoi theo góc $\beta_2$, mối tương quan thể tích giữa phôi và phoi ($L > L_p, a < a_p$).
  • Hiện tượng ma sát và nhiệt động lực học vùng cắt: Phân tích nguồn nhiệt ma sát tại mặt trước, mặt sau và công biến dạng dẻo; cơ chế hình thành và biến mất của khối lẹo dao dựa trên sự mất cân bằng giữa lực ma sát ngoài $T$ và lực liên kết nội tại $S$.
  • Lý thuyết mòn và chuyển biến pha: Tác động của nhiệt độ vùng cắt (đạt $700 - 800^\circ\text{C}$ hoặc cao hơn) làm thay đổi tổ chức tế vi (mạng máctensit) của thép làm dao, dẫn đến suy giảm độ cứng và mòn chảy dính.
  • Tiêu chuẩn hóa vật liệu dụng cụ cắt: Hệ thống phân loại hợp kim cứng theo tiêu chuẩn GOST (BK8, T15K6, TT7K12) tương ứng tiêu chuẩn ISO (Nhóm K – vật liệu giòn tạo phoi vụn; Nhóm P – vật liệu dẻo tạo phoi dây; Nhóm M – vật liệu vạn năng tạo phoi dây và phoi xếp).

Kỹ năng phát triển

  • Năng lực tính toán kỹ thuật:
    • Tính thời gian máy gia công: $$T_m = \frac{L + l_1 + y}{n \cdot S} \cdot i$$ (với $l_1 = t \cdot \cot\varphi$, $y = t \cdot \tan\varphi_1$).
    • Tính góc làm việc thực tế của dao khi gá lệch tâm máy hoặc khi có lượng chạy dao ngang/dọc: $$\tan\mu_1 = \frac{S_n}{\pi \cdot D}, \quad \alpha_{yc} = \alpha_y - \mu_1$$
    • Tính lực cắt tiếp tuyến $P_z$, lực chạy dao $P_x$, mômen xoắn trục chính $M_x$ và công suất cắt $N_c$.
  • Năng lực phân tích và xử lý công nghệ: Nhận diện dạng phoi (vụn, xếp, dây) để đánh giá tính hợp lý của chế độ cắt; phân tích nguyên nhân rung động để áp dụng biện pháp cân bằng hệ thống công nghệ (Máy – Gá – Dao – Chi tiết) hoặc sử dụng cơ cấu triệt tiêu dao động ngược pha $180^\circ$.
  • Năng lực tra cứu và thiết lập quy trình: Sử dụng bảng số tiêu chuẩn để chọn lượng chạy dao $S$, chiều sâu cắt $t$, vận tốc cắt $v$ và lựa chọn đúng chủng loại dung dịch trơn nguội theo từng giai đoạn gia công thô hoặc tinh.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được thiết kế theo cấu trúc sư phạm tích hợp lý thuyết và kỹ thuật ứng dụng, với thời lượng 45 giờ (34 giờ lý thuyết, 8 giờ bài tập và 3 giờ kiểm tra định kỳ).

Phương pháp tiếp cận kết hợp hai hình thức xác định thông số công nghệ:

  1. Phương pháp giải tích: Thiết lập các công thức toán học và cơ học để tính toán chính xác lực cắt $P_z$, góc độ làm việc động của dao, ứng suất biến dạng và công suất máy.
  2. Phương pháp tra bảng thực nghiệm: Sử dụng các bảng thông số số liệu kỹ thuật tiêu chuẩn đã được kiểm chứng để chọn nhanh chế độ cắt trong điều kiện sản xuất công nghiệp.

Giáo trình cung cấp các bài toán tính toán kỹ thuật cụ thể làm mẫu phân tích:

  • Bài toán 1: Tính góc sau làm việc thực tế $\alpha_{yc}$ khi tiện cắt đứt chi tiết hình trụ với $S_n = 0.1\text{ mm/vg}$, góc sau khi mài $\alpha_y = 12^\circ$ tại điểm cách tâm $r = 1\text{ mm}$ ($\mu_1 = 1^\circ 49'$, cho kết quả $\alpha_{yc} = 10^\circ 11'$).
  • Bài toán 2: Tính góc mài hớt lưng dao phay định hình ($D = 75\text{ mm}$, $Z = 10$, lượng hớt lưng $K = 4.5\text{ mm}$) để đạt góc sau làm việc $\alpha_{yc} = 8^\circ$ (góc mài yêu cầu $\alpha_y = 18^\circ 48'$).
  • Bài toán 3: Tính góc mài $\alpha_n$ trên tiết diện pháp tuyến khi tiện trục vít hình thang ($m = 6$, $d_{tb} = 40\text{ mm}$, góc prôfin $20^\circ$) để đạt góc sau tiết diện dọc trục $\alpha_{x0} = 10^\circ$.

Công tác đánh giá người học được thực hiện qua các bài kiểm tra viết định kỳ về lý thuyết cơ chế biến dạng, bài tập tính toán chế độ cắt và hệ thống câu hỏi ôn tập định tính – định lượng ở cuối mỗi chương. Hướng dẫn tự học tập trung vào việc đối chiếu hiện tượng thực tế tại xưởng thực hành (như màu sắc phoi, dạng mòn dao, tiếng ồn rung động) với các nguyên lý được trình bày trong giáo trình.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Hệ thống hóa vật liệu làm dao theo tiến trình lịch sử và công nghệ: Giáo trình tổng hợp bảng so sánh tiến trình phát triển vật liệu làm phần cắt từ năm 1894 đến thập niên 1970, đối chiếu các thông số giới hạn: tốc độ cắt $v$ ($5\text{ m/ph}$ của thép cacbon lên $300\text{ m/ph}$ của hợp kim cứng phủ và gốm, $800\text{ m/ph}$ của kim cương), nhiệt độ chịu nhiệt ($200 - 300^\circ\text{C}$ lên $1600^\circ\text{C}$) và thang độ cứng ($60\text{ HRC}$ lên $100.000\text{ HV}$).
  • Cập nhật các vật liệu cắt công nghệ cao: Trình bày chi tiết cấu tạo và phạm vi ứng dụng của mảnh hợp kim cứng phủ màng mỏng ($TiC$, $TiC/TiN$ dày vài micromet), gốm thuần khiết ($99% Al_2O_3 + ZnO_2$), gốm trộn ($Al_2O_3 + TiC/WC/TiN$), gốm không oxit gốc nitrit silic ($Si_3N_4$), kim cương nhân tạo và Nitrit Bo lập phương (Elbor) phục vụ gia công tinh thép tôi đạt độ cứng $39 - 66\text{ HRC}$.
  • Tích hợp hai hệ thống ký hiệu tiêu chuẩn: Song song với các mác thép và hợp kim theo tiêu chuẩn Liên Xô/Nga cũ (như $Y10A, 9XC, XB5, P18, BK8, T15K6$), giáo trình cập nhật quy tắc phân loại hợp kim cứng theo bảng mã ba nhóm màu $P, M, K$ của tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế ISO.
  • Mô hình hóa tác động động học lên thông số hình học: Phân tích định lượng sự sai lệch giữa góc tĩnh và góc làm việc của dao dưới ảnh hưởng của độ cao gá đặt mũi dao ($H/R$) và hướng của vectơ vận tốc cắt tổng hợp ($V_c, V_s$), cung cấp cơ sở cho việc hiệu chỉnh góc mài dao khi tiện ren bước lớn hoặc tiện hớt lưng.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Nhóm đối tượng Mục đích và phương thức sử dụng
Sinh viên Cao đẳng nghề Học tập mô-đun MH CG 13 ngành Cắt gọt kim loại, Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Chế tạo máy; chuẩn bị lý thuyết cho các kỳ thực tập xưởng tiện, phay, bào, mài.
Giảng viên chuyên ngành Sử dụng làm căn cứ biên soạn đề cương bài giảng, thiết kế ngân hàng đề thi lý thuyết và xây dựng các bài tập tính toán công nghệ gia công cơ khí.
Kỹ thuật viên, thợ tiện - phay Tài liệu tra cứu tại xưởng để xác định chế độ cắt ($v, s, t$), góc mài dao thực tế và quy trình tưới nguội phù hợp với từng mác vật liệu gia công.

Yêu cầu kiến thức tiên quyết: Người học cần hoàn thành các học phần cơ sở kỹ thuật theo danh mục mã môn học: MH07 (Vẽ kỹ thuật), MH08 (Dung sai và đo lường kỹ thuật), MH09 (Vật liệu học và xử lý nhiệt), MH10 (Cơ học cơ sở), MH11 (Sức bền vật liệu), MH14 và MH15 (Các mô-đun kỹ thuật gia công cơ bản).

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn phục vụ trực tiếp cho sinh viên theo học trình độ Cao đẳng nghề ngành Cắt gọt kim loại, ngành Công nghệ Cơ khí và giảng viên giảng dạy mô-đun Nguyên lý cắt. Ngoài ra, tài liệu phù hợp cho kỹ thuật viên cơ khí cần tra cứu thông số dụng cụ cắt và chế độ cắt tại các nhà máy chế tạo.

2. Cần kiến thức nền nào để học giáo trình này?

Người học cần nắm vững kiến thức các môn cơ sở gồm: Dung sai và lắp ghép, Vẽ kỹ thuật cơ khí, Cơ lý thuyết, Sức bền vật liệu và Vật liệu kim khí (thuộc các mã mô-đun tiên quyết MH07 đến MH15).

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu lý thuyết cắt gọt chung là gì?

Tài liệu tập trung phân tích đồng thời bản chất vật lý (biến dạng phoi, lẹo dao, cứng nguội, rung động) và bài toán động học làm việc thực tế của dao (tính góc làm việc khi gá sai tâm, khi tiện ren nhiều đầu mối, tiện hớt lưng). Đồng thời, tài liệu bao quát toàn diện 13 nguyên công từ tiện, phay, bào đến chuốt, cắt răng, cắt ren và mài.

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

Người học cần kết hợp việc đọc hiểu lý thuyết cơ chế cắt với việc tự giải các bài tập định lượng về phân tích góc làm việc và lực cắt ở cuối mỗi chương. Khi thực hành xưởng, cần đối chiếu hình thái phoi cắt ra (phoi vụn, phoi xếp, phoi dây) và hiện tượng mòn dao để điều chỉnh lại chế độ cắt theo hướng dẫn của giáo trình.

5. Giáo trình có cung cấp tài liệu bổ trợ hoặc bảng số tra cứu không?

Có. Giáo trình tích hợp hệ thống bảng thành phần hóa học và cơ tính các mác thép dụng cụ, bảng phân loại hợp kim cứng theo tiêu chuẩn GOST và ISO, bảng công thức tính lực cắt và công suất, cùng các ví dụ tính toán bài tập công nghệ có lời giải chi tiết.

Kết luận

Giáo trình Nguyên lý cắt (2021) do Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ ban hành là tài liệu học thuật cơ sở chuyên môn, cung cấp nền tảng lý thuyết biến dạng kim loại, động học cắt gọt, kết cấu dụng cụ cắt và phương pháp xác định chế độ cắt cho 13 dạng nguyên công gia công cơ khí.

Lộ trình học tập đề xuất theo giáo trình:

  1. Nghiên cứu Chương 1 đến Chương 5 để nắm vững lý thuyết vật liệu dao, hình học dao tĩnh – động, cơ chế tạo phoi, lực cắt và nhiệt cắt.
  2. Học tập Chương 6 để làm chủ phương pháp tính toán và tra cứu chế độ cắt khi tiện.
  3. Mở rộng nghiên cứu Chương 7 đến Chương 13 đối với các dạng gia công định hình và chuyên sâu (bào, xọc, khoan, phay, chuốt, cắt răng, ren và mài).

Tài liệu là cơ sở dữ liệu học thuật tiêu chuẩn giúp người học hoàn thiện kỹ năng tính toán công nghệ và chuẩn bị cho các giai đoạn thực hành chế tạo chi tiết máy tại xưởng sản xuất.