VÕăĐÌNHăTRUNG

Đ I H CăĐĨăN NG
TR
NGăĐ I H C BÁCH KHOA
---------------------------------------

VÕăĐÌNHăTRUNG

CHUYÊN NGÀNH: K THU TăC ăKHệă

NGHIÊN C U, KH O SÁT L C C T THEO
QU Đ O CH Y DAO KHI GIA CÔNG KHUÔN
ĐÚC PHAO NH A TRÊN MÁY PHAY CNC

LU NăVĔNăTH CăSƾ
K THU TăC ăKHệ

KHÓA: K34

ĐƠăN ng ậ Nĕmă2018


2

n

Đ I H CăĐĨăN NG
TR
NGăĐ I H C BÁCH KHOA
---------------------------------------

GIAăCỌNGăKHUỌNăĐÚCăPHAOăNH A TRÊN MÁY PHAY CNC ......................
M

Đ U ......................................................................................................................... 1

1.Lý do ch năđ tài......................................................................................................... 1
2.M căđíchănghiênăc u .................................................................................................. 1
3.Ph m vi và n i dung nghiên c u ............................................................................... 1
4.Ph

ngăphápănghiênăc u ........................................................................................... 1

5.ụănghƿaăkhoaăh c và th c ti n ................................................................................... 2
6.C u trúc lu năvĕn ....................................................................................................... 2
Ch

ngă1. TỔNG QUAN V L C C TăTRONGăGIAăCỌNGăC

....................... 3

1.1.ăĐặt v năđ ................................................................................................................ 3
1.2. Phân tích các thành ph n l c c t. ......................................................................... 4
1.2.1. Phân tích lực cắt theo các phương chuyển động ................................................ 4
1.2.2. Phân tích lực cắt theo các mặt chịu t i. .............................................................. 5
1.3. Cácăph

ngăphápăxácăđ nh l c c t. ...................................................................... 5

1.3.1. Phương pháp đo trực tiếp lực cắt. ....................................................................... 6
1.3.2. Phương pháp đo lực cắt thông qua đo công suất. .............................................. 6

2.2.4.1. Thiết kế ............................................................................................................. 21
2.2.4.2. Dựng b n vẽ...................................................................................................... 22
2.2.4.3. Trong lĩnh vực tính toán phân tích ................................................................... 22
2.2.4.4. Gia công ........................................................................................................... 24
2.3.K t lu n .................................................................................................................. 25
Ch ngă3 . KH O SÁT TH C NGHI M L C C T THEO QU Đ O CH Y
DAO .............................................................................................................................. 26
3.1.Yêu c uăđối v i h thống th c nghi m ................................................................ 26
3.2.Mô hình th c nghi m ............................................................................................ 26
3.3.Thi t b thí nghi m ................................................................................................ 27
3.3.1.Máy ....................................................................................................................... 27
3.3.3. Phôi gia công ...................................................................................................... 28
3.3.4. Thiết bị đo lực cắt khi phay FKM2000–TeLC .................................................. 29
3.3.5. Phần mềm thu thập và xử lý tín hiệu đo ........................................................... 29
3.4.Ti n hành th c nghi m kh o sát nhăh

ng qu đ oădaoăđ n l c c t ............. 30

3.4.1. Chế độ cắt thí nghiệm......................................................................................... 30
3.4.2. Lựa chọn quỹ đ o ch y dao ............................................................................... 30
3.4.3. Chọn biên d ng điển hình .................................................................................. 31
3.4.3.1. Biên d ng chỏm cầu – Quỹ đ o Spiral ( xoắn ốc)............................................ 33


3.4.3.4. Biên d ng chỏm cầu – Quỹ đ o Parallel ( zig- zag) ........................................ 37
3.4.3.1. Biên d ng hốc chữ nhật – Quỹ đ o Parallel ( Zig-Zag) ................................. 42
3.5.K t lu n .................................................................................................................. 51
K T LU NăVĨăH

NG PHÁT TRI NăĐ TÀI................................................... 52

phay thô trongăđiều kiện thí nghiệm cụ thể với 2 d ng quỹ đ o ch y dao là Parallel và
Spiral trên chi tiết thép CT38 bằng dao phay ngón hợpăkimă4ălưỡi cắt trên máy phay
CNC 3 trục MATSUURA-MC500V bằng thiết bị đoălực cắt FKM2000ậTeLC.
Từ kết qu thí nghiệm, thông qua việc thống kê, kh o sát và phân tích số liệu
thu th pă được có thể thấyă được ưuă vàă nhượcă điểm c a từng d ng quỹ đ o ch y dao
khác nhau. Từ đóăcó thể lựa chọn d ng quỹ đ o ch y dao hợp lý nhấtăđể vừaătĕngănĕngă
suất gia công vừaăđ m b oăđộ c ng vững c a hệ thống công nghệ.


STUDY AND INVESTIGATE THE CUTTING FORCE UNDER THE
CUTTING TOOL TRAJECTORY WHEN MAKING PLASTIC INJECTION
MOLDING ON CNC MILLING MACHINE
Abstracts: Study of cutting force in mechanical processing has both theoretical and
practical significance.
The milling process is a synthesis of many technological elements. Cutting
force is the main factor that directly affects the equipment capacity, equipment life,
hardness of the technological system, the life of cutting tools.
In order to meet these needs, many empirical and theoretical studies on the
factors that influence shear force have been performed such as the effect of cutting
mode, machining material, geometric parameters of cutting tools…
However, the study and investigation of the change in cutting force in the
orbital forms of cutting tools is almost nonexistent. The subject introduces the method
of cutting force during rough milling in experimental conditions with two types of
cutting tool trajectories: Parallel and Spiral on the CT38 steel parts with the four-blade
alloy milling cutter on the milling machine. CNC 3 axis MATSUURA-MC500V with
FKM2000-TeLC force measuring device.
From the results of the experiment, through the statistics, survey and analysis
of data collected can see the pros and cons of each type of cutting tool trajectory. From
there, it is possible to select the most appropriate trajectory to maximize machining
efficiency while maintaining the rigidity of the technology system

ảình 3.21 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 1 lớp cắt ..................................................... 38
ảình 3.22 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 1 lớp cắt ................................................ 39
ảình 3.23 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 4 lớp cắt ...................................................... 39
ảình 3.24 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 1 lớp cắt ...................................................... 40
Hình 3.25 . Quỹ đ o Parallel khi thiết kế ..................................................................... 42
Hình 3.26 . Quỹ đ o Parallel khi gia công thực .......................................................... 42
ảình 3.27 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 2 lớp cắt ..................................................... 43


ảình 3.28 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 1 lớp cắt ..................................................... 43
ảình 3.29 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 2 lớp cắt ................................................. 44
ảình 3.30 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 1 lớp cắt .................................................. 44
ảình 3.31 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 2 lớp cắt ...................................................... 45
ảình 3.32 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 1 lớp cắt ..................................................... 45
Hình 3.33 . Quỹ đ o Spiral khi thiết kế ........................................................................ 46
Hình 3.34 . Quỹ đ o Spiral khi gia công thực .............................................................. 46
ảình 3.35 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 2 lớp cắt .................................................... 47
ảình 3.36 . Đồ thị Pz (lực cắt chính) của 1 lớp cắt ................................................... 47
ảình 3.37 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 2 lớp cắt ................................................. 48
ảình 3.38 . Đồ thị Px (lực hướng kính) của 1 lớp cắt ................................................. 48
ảình 3.39 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 2 lớp cắt .................................................... 49
Hình 3.40 . Đồ thị Py (lực dọc trục) của 1 lớp cắt ..................................................... 49


1

M

Đ U



-

Giới thiệu về công nghệ CAD/CAM/CNC

-

Xây dựng mô hình thực tế hệ thốngăđoălực cắt trên máy phay CNC.

-

Nghiên c u, kh o sát lực cắtăkhiăthayăđổi các d ng quỹ đ o ch y dao trong quá
trình phay thô bằng dao phay ngón trên một biên d ng cụ thể.

4. Ph

ngăphápănghiênăc u

Đề tài sử dụngăphươngăphápănghiênăc u lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:
-

Nghiên c u lý thuyếtăcơăs cắt gọt kim lo i,ăcơăs gia công trên máy CNC


2

-

Bằng việc thiết l p mô hình hệ thốngăđoă lực cắt thực tế có thể nghiên c u sự
thayăđổi lực cắt theo quỹ đ o ch y dao bằng các kh o sát thực nghiệm.

ngă1

TỔNG QUAN V L C C TăTRONGăGIAăCỌNGăC
1.1.ăĐặt v n đ
Trong quá trình cắt kim lo i, để tách được phoi và thắng được ma sát cần ph i
có lực. Lực sinh ra trong quá trình cắt là động lực cần thiết nhằm thực hiện quá trình
biến d ng và ma sát.
Việc nghiên c u lực cắt trong quá trình cắt kim lo iăcóăýănghƿaăc lý thuyết l n
thực tiễn. Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ
cắt, đồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị,...ăDưới tác dụng c a lực và nhiệt, dụng
cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ. Muốn hiểu được quy lu t mài mòn và phá huỷ dao thì ph i
hiểu được quy lu t tác động c a lực cắt. Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần ph i biết
lực cắt. Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt t o kh nĕngăchínhăxácăhoáălýăthuyết quá
trình cắt. Trong tr ng thái cân bằngănĕngălượng c a quá trình cắt thì các mối quan hệ
lực cắtăcũngăcânăbằng.
Lực cắt sinh ra khi cắt là một hiệnătượngăđộng lực học, t c là trong chu trình
th i gian gia công thì lực cắt không ph i là hằng số mà biếnăđổiătheoăquãngăđư ng c a
dụng cụ.
Theoăcơăhọc, nghiên c u về lựcănóiăchungălàăxácăđịnh 3 yếu tố:
 Điểmăđặt c a lực.

 Hướngă(phươngăvàăchiều) tác dụng c a lực.
 Giá trị (độ lớn) c a lực.

Trênăhìnhă1.1,ătrongătrư ng hợp cắt tự do, ta có:

Hình 1.1- Sơ đồ nguồn gốc của lực cắt


4


Đâyălàăphươngăphápăphânătíchălực cắt phổ biến nhất, b iăvìăphươngăcácăchuyển
động cắtălàăhoànătoànăxácăđịnh nên việcăđoăcácăthànhăphần lực cắtăđược tiến hành dễ
dàng. Mặt khác từ v n tốc chuyểnăđộngătheoăcácăphươngăvàălực cắt thành phầnătươngă


5

ng theo các phươngăđóătaăcóăthể tínhăđược công suất cắt và rõ ràng nếuăxácăđịnhăđược
các lực thành phầnătaăcũngădễ dàngăxácăđịnhăđược giá trị lực cắt tổng.
1.2.2. Phân tích lực cắt theo các mặt chịu t i.
Khi nghiên c u b n chấtăđộng lực học c a quá trình cắt kim lo i, lực cắt còn
được phân tích thành các thành phần theo các mặt chịu t i.
Dựa vào lực cắt chính Pv và lực ch y dao Ps trong mô hình cắt tự doătrênăđâyă
xây dựng vòng tròn Thales, nh đóătaăvẽ vàăxácăđịnhăđược các lực:
* Trên mặtătrước dao: Lực ép trên mặtătrước dao N1 Lực ma sát trên mặtătrước dao F1
* Trên mặt sau dao: Lực ép trên mặt sau dao N2 Lực ma sát trên mặt sau dao F2
* Trên mặtătrượt: Lực tách phoi Pc Lực ép lên vùng cắt Pe

Hình 1.3 - Vòng tròn xác định lực trên các mặt chịu t i
1.3. Cácăph

ngăphápăxácăđ nh l c c t.

Để xácăđịnh lực cắt ta có thể dùng nhiềuăphươngăphápăsau:
 Phươngăphápăđoătrực tiếp.

 Phươngăphápăxácăđịnhăthôngăquaăđoăcôngăsuất cắt.
 Phươngăphápăb ng và biểuăđồ.


với N theo KW, P theo kG và v theo m/ph

Trong quá trình cắt gọt,ătaăđãăbiết lực cắt có thể được phân thành 3 thành phần
theoă3ăphươngăchuyểnăđộng v, s, t. Công suấtătươngă ng là:
Nv = Pv.v.K
Ns = Ps.vs.KăăăăătrongăđóăKălàăhệ số chuyểnăđổiăđơnăvị.
Nt = Pt.vt.K
Công suất cắt sẽ là:
Nc = N v + N s + N t

(1.3)

Thực tế ta có: khi cắt vt = 0 nên Nt = 0
v >> vs và Pv >> Ps
Một cách gầnăđúng,ăđể đơnăgi n trong tính toán ta có thể xemănhư:
Nc = Nv = Pv.v.K

(1.4)


7

Mặt khác, khi cắt công suất c aăđộngăcơăs n sinh ra một phầnăđể thực hiện việc
cắt gọt (Nc), một phầnăđể thắng ma sát và lực c năquánătínhătrongăđộngăcơăvàămáyă(cóă
thể gọi là công suất ch y không t i Nck,ătươngă ng với hiệu suất c a máy ).

Nhưăv y nếu m máyă nhưngăkhôngăcắt thì công suấtăđoăđược từ độngăcơăs n
sinh ra sẽ là công suất tổn thất hay công suất ch y không Nck. Khi thực hiện việc cắt
gọt thì công suấtăđoăđược từ độngăcơăsẽ bao gồm công suất cắt Nc và công suất ch y
không Nck.


8

Kết qu nghiên c u c a phần lớn các nhà khoa học cho ta công th c tính lực cắt
đơnăvị pănhưăsau:
(1.7)

Trongăđó:ă

c là ng suất cắt sinh ra trong mặtătrượt OM, [N/mm2],

 là góc giữ phươngătrượtăvàăphươngălực tác dụngăđối với một
lo i

v t liệuăxácăđịnh, phụ thuộc vào v t liệu gia công,

1 là góc tách phoi.

Lực cắtăđược tính theo công th c sau:
P = p.q
Trongăđó:

[N]

(1.8)

q là diện tích tiết diện lớp cắtăđược tách ra.

Ta có: q = s.t = atb.b [mm2]



(1.14)
Taăcũngăcóăthể tínhăđược các thành phần Pe vàăFătươngă ng.
1.3.3.2. Tính toán lực cắt bằng công thức thực nghiệm.
Dựa vào các kết qu thực nghiệm khi nghiên c u về cắt gọt, ta xây dựng nên
các công th c tính toán lực cắt. Công th c thực nghiệm tính toán lực cắtăcũngăđược
thiết l pătheoă2ăphươngăpháp.
a. Phương pháp dựa vào lực cắt đơn vị và diện tích tiết diện phoi cắt.

Ta có lực cắt P theo lực cắtăđơnăvị và diện tích phoi cắtănhưăsau:ă
P = p.q [N]
Trongăđó:ă

(1.15)

q là diện tích tiết diện phoi cắt.
p là lực cắtăđơnăvị, là hằng số phụ thuộc vào v t liệu gia công.

Theo các nhà nghiên c u về cắt gọt thì lực cắtă đơnăvị p có thể biểu diễn gần

đúngătrongămối quan hệ vớiăđộ bền b c a v t liệu (nếu là v t liệu dẻo) hoặcăđộ c ng
HB c a v t liệu (nếu là v t liệu dòn).
Thực tế khi cắt với dao mộtălưỡi cắt, từ thực nghiệm ta có:
p = (2,5 ậ 4,5)b đối với v t liệu dẻo.
p = (0,5 ậ 1,0)HBăđối với v t liệu dòn


10

Trongăđóăgiáătrị hệ số nhỏ dùng khi cắt với chiều dày cắt a lớnăvàăngược l i.

* Độ bền, độ cứng của vật liệu,
* Thành phần hoá học,
* Cấu trúc kim lo i của vật liệu,
* Phương pháp chế t o phôi…
Thực tế nếu tiến hành kh o sát nhăhư ng c a từng yếu tố trênăđến lực cắt thì
rất ph c t pă vàă khóă khĕn;ă doă v y trong các công th c thực nghiệm tính toán lực cắt
ngư i ta biểu thị m căđộ nhăhư ng c a v t liệu cụ thể đến lực cắt trong điều kiện cắt


11

gọtăxácăđịnh bằngăđộ lớn lực cần thiếtăđể tách 1mm2 diện tích tiết diện phoi cắt khỏi
chi tiếtăgiaăcông.ăTheoăphânătíchătrênăđâyăchínhălàălực cắtăđơnăvị p.
Tuy v yăđối với một lo i v t liệu thì p còn phụ thuộc vào chiều dày cắt a. Vì
v yăđể phân biệt trong kh o sát trong công th c kinh nghiệm: Lực cắtăđơnăvị păđược
địnhănghƿaălàălực cần thiếtăđể tách một lớp phoi tiết diện 1mm2 có chiều dày trung bình
atb=1mm và chiều rộngăb=1mmătrongăđiều kiện dao tiêu chuẩn.
Nhưă v y lực cắtă đơnă vị đặc trưngă choă một lo i v t liệuă xácă địnhă được gọi là
hằng số lực cắt,ăthư ng ký hiệu là Cp.
Xét thành phần lực Pv, ta có:
Cpv = Pv =ăpătrongăđiều kiện a=1mm. B=1mm và dao tiêu chuẩn
Ta có nh n xét:
 Khi v t liệuăcóăđộ bền hoặcăđộ c ng càng cao thì lực cắt càng lớn b i vì công
thực hiện biến d ngăcũngănhưăthắng ma sát càng ph i lớn.

 Lực cắt cần thiếtăđể cắt gang (v t liệu dòn) nhỏ hơnăkhiăcắt thép (v t liệu dẻo)
b i vì khi cắt gang công biến d ng nhỏ và hệ số ma sát c aăgangăcũngănhỏ hơnă
c a thép
1.4.2. nh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt.
Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố nhưăchế độ cắtăv,ăs,ăt;ăđộ c ng vững c a

thayăđổi các giá trị khácănhau,ătaăđoăđược các giá trị lực cắt Pv tươngă ng.
Bằng cách xử lý các số liệuăđoătaăcóăthể biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắtăvàăaănhưă
sau:
(1.18)
Từ đồ thị ta nh n thấy rằngăkhiătĕngăchiều dày cắt a thì lực cắtăcũngătĕng,ănhưngăkhôngă
tĕngănhiềuănhưăđối với b, vì rằngăkhiătĕngăaăthìăsẽ tĕngăđộ lớn c a góc tách phoi d n
đến gi m lực cắtă đơnă vị, mặtă khácă khiă tĕngă aă thìăkhôngă làmă tĕngă chiều dài làm việc
thực tế c aălưỡi cắt một cách tuyếnătínhănhưăkhiătĕngăchiều rộng cắt b.
Kết hợpăchoăthayăđổiăđồng th i chiều rộng cắt b và chiều dày cắt a, mối quan hệ
giữa lực cắtăPvăvàăb,ăaăđược viếtănhưăsau:
(1.19)
Hoặc có thể viết theo s, t:


13

(1.20)
Trongăđóătaănh n thấy:

1.4.2.3. nh hưởng của tốc độ cắt v đến lực cắt.
Qua thực nghiệm ta thấy rằng:

tốcăđộ cắt thấp mối quan hệ giữa tốcăđộ cắt v

với lực cắt P rất ph c t păvàăkhóăxácăđịnh qui lu t. Tuy nhiên khi cắt với tốcăđộ phổ
biến

ph m vi tốcăđộ caoănhưăngàyănayăđangăsử dụng thì nh n thấy rằngăkhiătĕngătốc

độ cắt v , lực cắt hầuănhưăkhôngăthayăđổi hoặcăthayăđổiăkhôngăđángăkể. Do v yăđể đơnă

độ cắt, v t liệu gia công, thông số hình học c a dụng cụ cắt….
Mặc dù những nghiên c u về lực cắt đãăcóărất nhiều,ănhưngăhiệnănayăngư i ta
v n tiếp tục nghiên c u các phươngăphápăchínhăxácănhấtăđể xácăđịnh lực cắtăcũngănhưă
nhăhư ng c a các yếu tố khácănhauăđến lực cắt, nhằmătĕngănĕngăsuấtăgiaăcôngănhưngă
v năđ m b oăđộ chínhăxácăgiaăcôngăvàăđộ c ng vững c a hệ thống công nghệ.