Thiết kế dụng cụ cắt


Trong những thập niên qua, dụng cụ có gắn mảnh hợp kim quay như dao phay và dao doa, với sự quay của mảnh hợp kim đạt được một kết quả cao đối với những nhà sản xuất ôtô và trong những ngành công nghiệp khác.
Lý do lớn nhất đối với việc xuất hiện một cách bất ngờ của dụng cụ hợp kim quay là sự phát triển vật liệu mới để sản xuất những thân động cơ ôtô. Trong quá khứ, gang đã từng là vật liệu được chọn để sản xuất động cơ. Nó có những tính chất đặc trưng sau : có độ bền cao, độ chống mài mòn, tính đúc, tính giảm chấn, tính dẫn nhiệt,….Nhưng hiện nay việc phát triển một vật liệu mới thay cho vật liệu cũ là một công việc đang được tiến hành.
Hợp kim gang xám và gang dẻo có độ bền cao được áp dụng rộng rãi trong sản xuất động cơ diesel. Gần đây, gang cầu đã được chọn để sản xuất động cơ Diesel.
Gang cầu về cấu trúc và cơ tính của nó nằm giữa gang xám và gang dẻo. Ví dụ như nó có độ bền cao và modun đàn hồi lớn hơn gang xám nhưng vẫn giữ được những tính chất như độ giảm chấn, dẫn nhiệt và tính đúc của gang xám.Những nhà chế tạo ôtô ở Châu Âu đã từng dùng gang cầu để chế tạo thân động cơ diesel. Nhưng cùng với những ưu điểm trên thì việc gia công chúng cũng rất khó khăn.
Thực tế một trong việc nghiên cứu về tốc độ cắt gọt liên tục của gang cầu bằng dụng cụ carbide có tuổi thọ nhỏ hơn 10% so với gia công gang xám. Trong những nghiên cứu gần đây đã đưa ra nguyên nhân của sự giảm tuổi thọ này là do: khi gia công gang xám, một lớp mangan sunphít (MnS) dày 5mm bám lên bề mặt lưỡi cắt của dao. Lớp lẹo dao này có tác dụng là bảo vệ lưỡi cắt và tăng cương khả năng bôi trơn bề mặt lưỡi cắt. Đối với gang cầu thì không có những lớp tương tự như thế.
Mảnh hợp kim quay :

Mảnh hợp kim quay đã từng xuất hiện khoảng 50 năm qua. Mảnh hợp kim quay được lắp vào một ổ trục đỡ chặn, nó cho phép mảnh hợp kim quay tự do. Sự quay này tạo ra một sự hoạt động nhỏ, mà ở đó bao gồm sự thay đổi liên tục vùng cắt gọt để bóc vật liệu trong quá trình cắt, tạo ra nhiệt độ thấp hơn, tăng cường tuổi thọ của dụng cụ bằng cách phân chia độ mòn đều trên toàn bộ chu vi của mảnh hợp kim, lực gia công và năng lượng yêu cầu thấp và tạo ra bề mặt gia công tốt hơn.
Sự hạn chế của dụng cụ là tính ổn định của nó được thể hiện từ hệ thống ổ trục, kích thước của mảnh hợp kim, chi phí ban đầu cho lưỡi cắt và mảnh hợp kim cao hơn và thiếu ý nghĩa về việc phân tích thiết kế dụng cụ cắt. Nhưng những vấn đề trên đang trong từng bước khắc phục. Nếu như nhiệt ở ổ trục quay quá cao thì chúng ta làm mát ở đó. Cho nên chúng cải thiện được vật liệu ổ trục quay và có thể dùng mỡ để bôi trơn và hạ nhiệt độ.
Kết quả của sự phát triển dụng cụ quay tạo ra một hệ thống thân ổ trục gọn nhẹ bao gồm một stator được bao quanh bởi ổ chặn (thrust bearing) và ổ bi kim (needle roller bearing). Những ổ này cho phép rotor quay dưới tác dụng của lực cắt gọt. Mảnh hợp kim được lắp ép vào một rotor và được xiết bằng một đai ốc. Một đuôi én ở dưới stator nhằm dẫn hướng dụng cụ và đựơc khóa bằng thiết bị kẹp chặt. Thân ổ được che chắn kín bởi phớt chắn dầu nhằm hạn chế nhiễm bẫn từ dung dịch cắt gọt và phoi.
Công ty Rotary Technology có sáng kiến là sử dụng ổ đỡ và ổ kim, nó cho phép mảnh hợp kim quay dưới tác dụng của lực cắt gọt kim loại. Đuôi én ở dưới stator cho phép thân ổ được kẹp chặt trên lưỡi cắt
Khi ứng dụng gia công các chi tiết trong ô tô, công ty Rotary Technology đã phay 40.000 (chi tiết/ lưỡi cắt) vật liệu gang ở tốc độ 76 (m/ phút) mà không phủ carbide. Chi tiết ở đây là thân động cơ. Khi phay bán tinh với chiều sâu cắt khoảng 2mm và tốc độ 76 (m/ phút), dao có đường kính 355mm và trên đó có gắn 18 ổ (ứng với 18 mảnh hợp kim)
Vật liệu của mảnh hợp kim không nhất thiết phải chon là carbide để gia công gang. Thực tế thì để gia công gang, người ta đã dùng mảnh hợp kim làm bằng vật liệu silicon nitride (Si3N4). Vật liệu slicon nitride đóng vai trò như là một ba-ri-e cản trở nhiệt truyền từ mặt sau của lưỡi cắt vào trong thân ổ.
Sử dụng mảnh hợp kim gốm sứ để gia công gang nhằm mục đích tăng thêm những ưu điểm về quá trình cắt gọt không có dung dịch trơn nguội (quá trình cắt khô). Trong thực tế, nếu như gia công ở tốc độ quá cao thì dùng mảnh hợp kim bằng sứ là tốt nhất.
Khi sử dụng phương pháp làm nguội, mặt dù vùng gia công phải được ngập trong dung dịch. Đối với việc phay chi tiết bánh răng làm bằng vật liệu titanium có độ bền cao, chúng ta làm nguội với một áp suất dung dịch nguội là khoảng 6,9 MPa thông qua trục chính giúp cho việc thoát phoi dễ dàng.
Tóm lại, nếu sử dụng mảnh hợp kim Si3N4, chúng ta phải ngâm trong dung dịch làm mát. Nếu sử dụng dung dịch trơn nguội kiểu phun hoặc sương mù thì sẽ gây nứt mảnh gốm do nhiệt. Thân ổ trục quay được che chắn kín, cho nên không ảnh hưởng đến việc làm mát.
Khi mảnh hợp kim có hình tròn thì lực cắt sẽ tăng. Tuy nhiên mảnh hợp kim quay gây ra lực tiếp tuyến và lực hướng kính bé hơn dao phay tiêu chuẩn. Vì thế công suất cắt thấp hơn và không đòi hỏi máy có độ cứng vững quá cao.
Phay và doa
Phay và doa là những nguyên công gia công trước đây để gia công những chi tiết trong bộ truyền động của động cơ. Cả thân và đầu động cơ đòi hỏi gia công phay, trong khi thân động cơ thì đề ra chiến lược là doa. Tuổi thọ của dụng cụ trong quá trình cắt là một vấn đề đặt ra, đặc biệt là ứng dụng gia công những chi tiết trong bộ truyền, mà ở đó dụng cụ thay đổi có thể đắt hơn. Thông thường thì tốc độ phải được giảm để kéo dài tuổi thọ của dụng cụ. Nhưng giảm tốc độ cắt có nghĩa là tải tác dụng lên phoi cao để duy trì tỷ lệ bóc vật liệu theo yêu cầu. Kết quả trong trường hợp này là lực gia công lớn cho nên cần thiết phải dùng thiết bị đồ gá có độ cứng vững cao. Sử dụng công nghệ mảnh hợp kim quay trong trường hợp này có thể giảm bớt một số vấn đề bởi việc cho phép cắt gọt ở tốc độ cao mà không làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt.
Khi doa thân động cơ bằng vật liệu gang cầu, những dao doa có mảnh hợp kim quay cắt gọt ở tốc độ khoảng 730(m/phút), và tăng tuổi thọ gấp 2 lần so với mảnh hợp kim truyền thống doa ở tốc độ 100(m/phút).
Dụng cụ mảnh hợp kim quay:
Dụng cụ mảnh hợp kim quay đóng một vai trò quan trọng trong việc gia công cắt gọt những vật liệu có độ bền cao. Một mũi doa được giới thiệu nhằm để giảm được năng lượng cần thiết trong quá trình doa xilanh động cơ.
Những công nhân ở Lamb Technicon đã sử dụng phần mềm để thiết kế và chế tạo một dụng cụ gồm có mảnh hợp kim quay có chế độ cắt khá cao. Những dụng cụ truyền thống không có hiệu quả kinh tế trong việc cắt gọt tốc độ lớn hơn 100 (vòng/ phút), bởi vì tốc độ này làm cho tuổi thọ của dụng cụ giảm nhanh chóng. Dụng cụ doa có mảnh hợp kim quay cho phép gia công gang cầu ở tốc độ mà đã sử dụng gia công đối với gang xám (khoảng 730 m/phút). Trong khi đó vẫn tăng tăng tuổi thọ gấp 2 lần so với dụng cụ truyền thống cắt ở tốc độ thấp.
Bề mặt gia công được tạo ra trong quá trình gia công thô tốt bằng bề mặt gia công tinh khi sử dụng dụng cụ truyền thống. Độ không tròn của lỗ doa nằm trong giới hạn cho phép. Để đạt được những điều này thì ổ trục quay của dụng cụ phải được cứng vững. Do đó dao doa có mảnh hợp kim quay không chỉ cắt gọt ở tốc độ cao mà còn gia công được gang cầu.
Thiết kế mảnh hợp kim quay
Ưu điểm của mảnh hợp kim quay hoàn toàn phụ thuộc vào thực tế mà ở đó mảnh hợp kim quay trong suốt quá trình cắt gọt và lực được sinh ra trong suốt quá trình này. Việc thiết kế dụng cụ mảnh hợp kim quay là rất phức tạp, bởi thực tế cho thấy rằng lực gia công tạo ra momen xoắn là một hàm phức tạp của một vài biến số và cần phải đủ lớn để thắng lực ma sát sinh ra trong ổ trục.
Lamb Technicon và trường đại học Michigan đã từng phát triển một dụng cụ thiết kế trên cơ sở mô hình yêu cầu mà ở đó cho phép dự đoán được momen xoắn và tốc độ mảnh hợp kim như là một hàm của góc nghiêng và góc lệch trục trục đối với vật liệu và chế độ cắt gọt.

www.meslab.org

About these ads
Categories: Chuyên ngành | Để lại phản hồi

Post navigation

Gửi phản hồi

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s