Phân tích về bộ kẹp dao khoét: Chìa khóa để nâng cao độ chính xác trong gia công lỗ trong

Các bộ gá dao nhỏ có lắp các mảnh tiện thay thế được đã được sử dụng trong nhiều năm. Trong môi trường sản xuất hiện đại, các bộ gá dao nhỏ chiếm một vị trí quan trọng trong các công cụ khoan, tiện, phay và doa. Có rất nhiều nguyên nhân khiến các bộ gá dao nhỏ trở nên phổ biến trong nhà máy:

• Khi cần xác định vị trí chèn chính xác hơn, bộ kẹp dao nhỏ cho phép điều chỉnh công cụ. Là một bộ phận độc lập, bộ kẹp dao nhỏ có thể được di chuyển một cách chính xác và độc lập so với các phần tử cắt khác của dụng cụ, nhằm bù đắp cho những sai lệch trong quá trình gia công.
• Hộp đựng dao giúp bảo vệ thân dao đắt tiền. Va chạm là một chế độ hỏng hóc thường gặp trong các thao tác cắt gọt. Ngay cả trong môi trường xác minh được cải thiện nhờ các hệ thống CAD/CAM hiện đại và khi sử dụng hệ thống giám sát dao, khả năng xảy ra va chạm giữa phần cắt của dao và phôi vẫn rất cao. Việc định vị hộp đựng dao có thể ngăn chặn mọi trường hợp “sử dụng sai” và bảo vệ thân dao khỏi những hư hỏng nghiêm trọng.
• Kẹp dao nhỏ sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn do nhiều nhà cung cấp trên thị trường mở sản xuất, qua đó giảm chi phí khuôn mẫu.
• Kẹp dao nhỏ được chế tạo từ thép hợp kim cao cấp đã qua xử lý nhiệt thích hợp, giúp vật liệu thân dao trở nên mềm mại và nhẹ hơn, từ đó nâng cao chất lượng của dụng cụ.
• Kẹp dao nhỏ cho phép người dùng thiết lập nhiều vị trí gia công trên cùng một dụng cụ, qua đó kết hợp nhiều thao tác khác nhau trong một chu trình gia công duy nhất. Khả năng này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tốc độ loại bỏ vật liệu, đặc biệt là trong sản xuất quy mô lớn.

Hình 1: Thiết kế kẹp dao nhỏ điển hình theo tiêu chuẩn ISO 5611

Thiết kế điển hình của hộp băng ISO 5611 (xem Hình 1) bao gồm:

1. Thân nguyên khối được chế tạo từ thép hợp kim đã qua xử lý nhiệt; 2. Các mảnh cắt được chế tạo từ hợp kim cứng, gốm hoặc các vật liệu cắt siêu cứng như PCD hoặc CBN; 3. Vít giữ mảnh cắt; 4. Vít không có mũ; 5. Vít điều chỉnh theo phương trục; 6. Vít kẹp hộp đựng; 7. Vòng đệm; 8. Bộ phận giữ ren hoặc cuộn dây xoắn tùy chọn.

Bản thân tiêu chuẩn không quy định thiết kế của băng đạn, mà chỉ quy định các kích thước chủ yếu. Tuy nhiên, theo thời gian, các nhà sản xuất khác nhau đã hợp tác để xây dựng một thiết kế chủ đạo, chính vì vậy ngày nay tất cả các băng đạn đều có hình dáng giống nhau.

Trong ba thập kỷ qua, các nhà sản xuất đã thực hiện những cải tiến đáng kể về thiết kế và hiệu năng của máy công cụ. Trục chính ngày càng nhanh hơn và cứng vững hơn; độ chính xác cũng được nâng cao; các hệ thống truyền thông và thu thập dữ liệu giúp tăng hiệu quả và năng suất của máy. Bên cạnh đó, nhiều đột phá tương tự cũng đã được đạt được trong việc phát triển các loại hợp kim cứng và vật liệu cắt siêu cứng mới. Tuy nhiên, thiết kế dao cắt—đặc biệt là các loại dao sử dụng hệ thống giữ dao ISO nhỏ—vẫn tụt hậu so với những tiến bộ này trong các lĩnh vực khác của ngành.

Tiêu chuẩn chính về kiểu và kích thước của các mảnh dao cắt nhỏ theo ISO 5611 (Mảnh dao cắt nhỏ, loại A, với các mảnh lắp có thể đổi vị trí – Kích thước) đã được cập nhật đáng kể vào năm 2015 và hiện bao gồm 12 tiêu chuẩn phụ, từ ISO 5611-1:2015 đến ISO 5611-12:2015. Tiêu chuẩn này có nguồn gốc từ tiêu chuẩn Đức DIN 4985.

Hình 2: Kẹp dao nhỏ thường được lắp đặt theo tiêu chuẩn ISO 5611

Có một số yếu tố đặc biệt đã trở nên lỗi thời (xem Hình 2), đồng thời làm mất đi những thành tựu của máy công cụ:

• Việc sử dụng các vít cố định của ổ cắm tiêu chuẩn có bước ren lớn sẽ cho ra độ phân giải điều chỉnh thấp hơn so với các yêu cầu hiện đại. Chẳng hạn, đối với cụm dao 10CA (trong đó 10 biểu thị khoảng cách tính bằng milimét từ mép cắt; C ký hiệu cho cụm dao; A chỉ kiểu A), đường kính ren là M4 và bước ren bằng 0,7 mm. Điều này có nghĩa là, để hoàn thành một vòng quay của vít, cụm dao sẽ dịch chuyển theo phương xuyên tâm 0,7 mm.
• Tỷ lệ L/l>>1 càng làm giảm thêm tỷ lệ giải quyết của việc điều chỉnh.
• Do độ cứng của thân ống, việc điều chỉnh chỉ có thể được thực hiện thông qua vít kẹp kéo 6 (xem Hình 1). Trong quá trình vận hành thực tế, vít nhỏ 4 làm việc đối diện với vít lớn 6 (xem Hình 2).
• Do giữa thân vỏ đạn và đáy vỏ đạn có khe hở, nên dưới tác dụng của lực cắt gọt, thân vỏ đạn không có sự hỗ trợ vững chắc.

Những nhược điểm này dẫn đến một quy trình điều chỉnh phức tạp, đòi hỏi phải lặp lại nhiều lần. Để tiến hành điều chỉnh, người vận hành thường giảm mô-men xoắn tác dụng lên vít kẹp 6 (xem Hình 1). Sau đó, họ khởi động vít điều chỉnh 4 và cố định vít kẹp 6 ở các thông số kỹ thuật cần thiết. Trong quá trình này, thân viên bi bị biến dạng nhẹ, đồng thời vị trí mục tiêu của bộ chèn cũng thay đổi. Từ thời điểm này trở đi, mọi thứ phụ thuộc vào kinh nghiệm của người vận hành. Một số người bắt đầu lại từ đầu bằng cách nới lỏng vít kẹp, trong khi những người khác sử dụng vít hướng kính để tinh chỉnh vị trí của lưỡi cắt. Không thể dự đoán trước mức độ vít điều chỉnh hướng kính có thể bị kẹt do ren của vít kẹp hay không. Kích thước của chìa lục giác hoặc dụng cụ đo mô-men xoắn dùng để truyền lực cho vít rất nhỏ, nên có thể không đủ mạnh để vượt qua lực ma sát.

Hình 3: Khái niệm mới về việc điều chỉnh tinh vi bộ kẹp dao nhỏ được trình bày chi tiết. (Fr là lực cắt hướng kính.) Hình vẽ minh họa mũi tên xuyên qua đá.

Để khắc phục những hạn chế của thiết kế truyền thống, công ty Arrow Through Stone đã phát triển một khái niệm về hộp băng (xem Hình 3), qua đó tái kết hợp hộp băng mới với các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực máy công cụ.

Như được minh họa trong Hình 3, băng cassette kiểu mới này được cấu tạo trên nền tảng của thân băng linh hoạt số 1. Bộ phận chèn số 2 được cố định bằng vít số 3 ở phần trước của băng cassette. Vít kẹp số 6, kèm theo vòng đệm số 7 và bộ giữ ren số 8, vẫn có thiết kế tương tự như bản gốc. Điểm thay đổi trong quy tắc vận hành nằm ở việc tích hợp vít vi sai số 4 và miếng đệm đẩy số 9. Ren trên vít vi sai được chế tạo từ cùng một loại thép không gỉ, nhưng có bước ren khác nhau; chẳng hạn, một ren có thể là M4 mm, trong khi ren còn lại có thể là M4,25 mm. Điều này làm cho bước ren chỉ còn 0,25 mm, nhỏ hơn nhiều so với thiết kế truyền thống (0,7 mm).

Ngoài ra, vít điều chỉnh theo phương xuyên tâm số 4 được đặt ở góc a = 60 độ, nhằm nâng cao độ phân giải trong quá trình điều chỉnh tinh. Đối với băng đạn 10CA, độ phân giải điều chỉnh thực tế là 0,019 mm (0,0007 inch) cho mỗi lần xoay vít điều chỉnh 90 độ. Trong ứng dụng thực tế, người vận hành có thể điều chỉnh vị trí của lưỡi cắt một cách đáng tin cậy, với độ chính xác lên đến 0,001 mm (0,00004 inch).

Một ưu điểm khác của đệm đẩy là nó cung cấp lực đỡ mạnh mẽ tại khu vực chịu ảnh hưởng lớn nhất từ vectơ hướng kính của lực cắt (Fr), đồng thời làm giảm tỷ số L/l (xem Hình 4).

Hình 4: Cài đặt bình thường của kẹp dao cải tiến.

Một đặc điểm tiêu biểu của thiết kế này là tính linh hoạt của thân kẹp đạn, được tạo nên nhờ các rãnh 10 (xem Hình 3). Điều này vừa yêu cầu vừa cho phép duy trì một lực nén trước không đổi giữa thân kẹp đạn và dụng cụ cắt của máy chủ. Một hiệu quả tích cực của việc làm như vậy là khả năng truyền động vi sai mà không có độ dội ngược, do đó việc điều chỉnh theo hai chiều lên–xuống có thể diễn ra một cách trơn tru. Trong quá trình điều chỉnh, cũng không cần phải nới lỏng vít kẹp đạn. Điều này giúp giảm đáng kể thời gian bảo dưỡng và làm cho dụng cụ cắt trở nên thân thiện hơn với người sử dụng.

Hình 5: Ứng suất Von Mises được hiển thị tại khu vực rãnh khi xảy ra biến dạng lớn nhất.

Khi tính toán tải trước danh định của thân băng đạn, Arrow-Piercing đã xem xét các yếu tố sau:

• Biến dạng tối đa bổ sung là 0,2 mm (0,008 inch) để bù cho sự mài mòn của lưỡi cắt.
• Ảnh hưởng của lực ly tâm đối với các ứng dụng tốc độ cao — ví dụ, gia công nhôm bằng dao phay PCD.
• Ứng suất lớn nhất trên mặt cắt ngang tới hạn của thân (xem Hình 5).

Trong suốt quá trình vận hành, để bù đắp cho sự mài mòn kích thước của lưỡi cắt, cần phải tăng tối đa độ biến dạng ở phần trước của cụm dao. Mục tiêu thiết kế là giữ cho cụm dao luôn nằm trong phạm vi tuyến tính của biến dạng, qua đó ngăn ngừa hiện tượng hỏng hóc do mỏi. Sau khi thực hiện việc đổi vị trí và điều chỉnh các cụm dao đã bị mài mòn về đúng kích thước danh định, ứng suất tự động giảm xuống mức danh định.

Trong điều kiện gia công tốc độ cao, phần trước của thân ống được tính toán theo phương trình (1) để tận dụng lực ly tâm:

Fc = 0,01097 m r nrpm2 (1) 2465

Ở đâu

m = khối lượng (kilogram)

r = bán kính khối lượng trung tâm (tính bằng mét)

nrpm = số vòng quay mỗi phút

Một dao khoét điển hình dùng để gia công nhiều bề mặt được minh họa trong Hình 6: các mảnh cắt phía trước đang thực hiện gia công thô, trong khi các mảnh cắt khác đang hoàn tất gia công tinh và vát mép.

Hình 6: Một Máy khoan nhiều trạm thông thường, với giải pháp làm mát bên trong toàn diện và hộp điều chỉnh tinh vi.

Tốc độ quay nrpm được biểu thị bằng lũy thừa của 2, điều này cho thấy tầm quan trọng của việc xem xét ảnh hưởng của lực ly tâm đối với tải trước danh định của băng đạn. Một mặt, lực ly tâm làm giảm tải trước bằng cách cố gắng “nhấc” phần đầu của băng đạn ra khỏi giá đỡ; mặt khác, lực ly tâm lại làm tăng ứng suất tại các phần chịu ứng suất tới hạn. Chẳng hạn, nếu dụng cụ này quay ở tốc độ nrpm = 8,000 vòng/phút, trong khi băng đạn có khối lượng m = 0,0199 kg khi ở tốc độ 0 vòng/phút, thì lực ly tâm sẽ đạt tới 489 N (tương đương 110 pound).

Dựa trên phân tích kỹ thuật chuyên sâu, Arrow Through Stone đã thiết lập các ràng buộc hình học cho kẹp dao nhỏ mới, đồng thời vẫn đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn ISO 5611. Thiết kế mới hoàn toàn có thể thay thế lẫn nhau với bản gốc và đã được chứng minh trong thực tế.

Phân tích ứng dụng của Công ty Arrow Through Stone cho thấy rằng, trong bộ giữ dao loại 10 CA có chiều dài L = 50 mm, chiều cao F = 14 mm và khoảng cách từ lưỡi cắt đến tâm dao H = 10 mm, có thể thực hiện được 75% các công việc gia công tinh. Công ty này cũng đã xác định ba loại bộ giữ dao thông dụng chính, đủ đáp ứng hầu hết các ứng dụng. Ngoài ra, còn có thể lựa chọn các loại bộ giữ dao khác theo tiêu chuẩn ISO 5611 với nhiều kiểu dáng và kích thước đa dạng.

Arrow Piercing Stone khuyến nghị nên sử dụng các chi tiết phân cách đã được xử lý nhiệt đến độ cứng 60 HRC whenever possible. Điều này có thể giúp cải thiện đáng kể tuổi thọ của dao cắt bằng cách ngăn ngừa bất kỳ biến dạng dẻo nào xảy ra tại vùng tiếp xúc giữa đáy hốc và khối đẩy số 9. (Xem Hình 3.)

Một ưu điểm khác của miếng đệm cách ly là có thể gia công độ dày của nó, nhờ đó giúp hộp đựng dao thích ứng với các đường kính lỗ khoan khác nhau, đồng thời cho phép sử dụng các vật liệu nhẹ và mềm hơn như nhôm, magiê và sợi carbon để chế tạo thân dụng cụ. Trong quá trình cắt gọt, miếng đệm cách ly hấp thụ áp suất cao và bảo vệ thân dụng cụ. Để đảm bảo dòng chảy tự do của dung dịch làm mát, miếng đệm cách ly được thiết kế với một vùng đệm.

Các ưu điểm chính của thiết kế mới về bộ kẹp dao nhỏ được tinh chỉnh theo chuẩn sáng chế có thể tóm tắt như sau: bộ kẹp dao nhỏ đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn ISO 5611, với khả năng điều chỉnh độ phân giải cao đến 0,001 mm; hệ thống điều chỉnh không xảy ra hiện tượng dội ngược; trong quá trình điều chỉnh không cần tháo rời bộ kẹp dao nhỏ; dải điều chỉnh đủ rộng 0,2 mm giúp bù đắp sự mài mòn của lưỡi cắt; đồng thời, bộ kẹp dao nhỏ hỗ trợ đặt dưới lưỡi cắt có độ ổn định cao.

Thiết kế mới này nâng tầm sản phẩm lên trình độ công nghệ của các máy công cụ hiện đại; việc sử dụng các bộ kẹp dao nhỏ mới trong các quy trình vận hành hiện có có thể kéo dài tuổi thọ của dao hơn gấp đôi và cải thiện đáng kể trải nghiệm sử dụng của người dùng cuối.