Trong lĩnh vực gia công chính xác, việc đạt được khả năng kiểm soát đường kính lỗ ở mức micron là một thách thức đáng kể. Dụng cụ doa, là những dụng cụ cắt chuyên dụng để gia công lỗ, đã nổi lên như giải pháp cho yêu cầu khắt khe này. Những dụng cụ này không chỉ là những thành phần quan trọng để nâng cao độ chính xác của chi tiết mà còn là phương tiện hiệu quả để gia công các hình dạng lỗ bên trong phức tạp.

Dụng cụ doa là một dụng cụ cắt được thiết kế để gia công lỗ, với các chức năng chính bao gồm:

• Gia công lỗ bên trong: Mở rộng các lỗ hiện có để cải thiện độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt.
• Mở rộng đường kính lỗ: Tăng đường kính lỗ theo thông số kỹ thuật yêu cầu.
• Tạo hình đường bao bên trong: Gia công các hình dạng bên trong phức tạp như lỗ côn và lỗ bậc.

So với các phương pháp gia công lỗ khác như khoan, khoét và chuốt, doa nổi bật nhờ khả năng kiểm soát tính linh hoạt và độ chính xác đặc biệt. Thông qua cắt một hoặc hai lưỡi, dụng cụ doa có thể đạt được độ chính xác gia công ở mức micron, đáp ứng các yêu cầu dung sai lỗ nghiêm ngặt lên đến tiêu chuẩn H7 hoặc thậm chí H6. Những dụng cụ này được ứng dụng rộng rãi trong các máy công cụ khác nhau bao gồm máy doa, máy tiện và máy phay.

Dụng cụ doa được phân loại dựa trên số lượng cạnh cắt và các đặc điểm cấu trúc, với dụng cụ doa một lưỡi và hai lưỡi là những biến thể phổ biến nhất.

Dụng cụ doa một lưỡi có cấu trúc tương tự như dụng cụ tiện, chỉ có một cạnh cắt. Để gia công lỗ có độ chính xác cao, người ta thường sử dụng dụng cụ doa điều chỉnh tinh. Những dụng cụ này kết hợp các cơ chế điều chỉnh chính xác cho phép kiểm soát chính xác đường kính cắt trực tiếp trên máy công cụ.

Nguyên tắc hoạt động liên quan đến một hệ thống chỉ báo quay số chính xác kết hợp với một cơ chế vít tinh giữa giá đỡ dụng cụ và đầu doa. Bằng cách xoay mặt số, đầu dụng cụ di chuyển theo đường thẳng dọc theo các phím dẫn hướng, cho phép điều chỉnh đường kính ở mức micron với độ chính xác đạt 0,001 mm.

Dụng cụ doa hai lưỡi có hai cạnh cắt được đặt đối xứng xung quanh đường tâm, cho phép thực hiện các thao tác cắt đồng thời. Cấu hình này cân bằng lực hướng tâm trong quá trình gia công, do đó cải thiện hiệu quả cắt. Dựa trên cấu trúc giá đỡ dụng cụ, dụng cụ doa hai lưỡi được phân loại thêm thành loại nổi và loại cố định.

• Dụng cụ doa nổi: Chủ yếu được sử dụng để gia công tinh, những dụng cụ này có cấu trúc tương tự như dao khoét và có thể tạo ra các lỗ có độ chính xác về kích thước và độ hoàn thiện bề mặt cao.
• Dụng cụ doa cố định: Có giá đỡ dụng cụ cứng và phù hợp với các hoạt động doa thông thường.

Dụng cụ doa thường bao gồm hai thành phần chính: thân dụng cụ và đầu cắt. Thân dụng cụ đóng vai trò là cấu trúc chính kết nối với trục chính máy hoặc giá đỡ dụng cụ, trong khi đầu cắt, được làm từ các vật liệu cứng như cacbua, thực hiện việc gia công thực tế dựa trên các yêu cầu xử lý cụ thể.

Việc lựa chọn vật liệu cho thân dụng cụ xem xét độ cứng, độ bền và các đặc tính giảm rung. Các vật liệu phổ biến bao gồm:

• Thép hợp kim: Cung cấp độ bền và độ dẻo dai tốt cho các ứng dụng doa thông thường.
• Thép vonfram: Cung cấp độ cứng và giảm rung vượt trội cho các hoạt động đòi hỏi độ chính xác cao.
• Vật liệu composite sợi carbon: Kết hợp các đặc tính nhẹ với độ cứng cao, lý tưởng để chế tạo dụng cụ doa lớn.

Vật liệu đầu cắt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của dụng cụ. Các lựa chọn phổ biến bao gồm:

• Thép gió (HSS): Có độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn tốt để cắt tốc độ thấp.
• Cacbua: Cung cấp độ cứng, khả năng chống mài mòn và chịu nhiệt cao cho các hoạt động tốc độ cao.
• Gốm: Cung cấp độ cứng và khả năng chống mài mòn cực cao cho các ứng dụng nhiệt độ cao, tốc độ cao.
• Cubic boron nitride (CBN): Cung cấp độ cứng cực cao để gia công thép đã tôi và hợp kim chịu nhiệt.
• Kim cương: Sở hữu độ cứng và khả năng chống mài mòn cao nhất cho các vật liệu phi kim loại và phi kim loại.

Dụng cụ doa được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực gia công cơ khí, bao gồm:

• Gia công xi lanh động cơ: Doa có độ chính xác cao của lỗ xi lanh động cơ đảm bảo hoạt động của piston thích hợp.
• Gia công xi lanh thủy lực: Doa chính xác các chi tiết bên trong xi lanh thủy lực duy trì hiệu suất làm kín của hệ thống.
• Gia công lỗ ổ bi chính xác: Doa chính xác các lỗ ổ bi đảm bảo độ chính xác khi quay.
• Gia công khuôn: Doa có độ chính xác cao của khoang khuôn đảm bảo độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt của sản phẩm.

Chất lượng doa phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm độ cứng của hệ thống dụng cụ, cân bằng động, độ ổn định của phôi, hình học dụng cụ, thông số cắt, hệ thống trục chính máy và phương pháp kẹp.

Độ cứng của hệ thống dụng cụ ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng doa, đặc biệt đối với gia công lỗ nhỏ, lỗ sâu và vật liệu cứng, đặc biệt là trong các hoạt động cantilever. Độ cứng không đủ gây ra rung động trong quá trình cắt, ảnh hưởng đến độ chính xác và độ hoàn thiện bề mặt.

Cân bằng động đề cập đến sự phân bố khối lượng đồng đều trong quá trình quay. Sự mất cân bằng tạo ra lực ly tâm gây ra rung động, đặc biệt có vấn đề trong các hoạt động tốc độ cao. Hiệu chỉnh cân bằng động cải thiện chất lượng gia công.

Độ cứng của phôi xác định khả năng chống biến dạng. Các thành phần nhỏ, thành mỏng hoặc phôi bị hạn chế về mặt hình học có thể bị biến dạng dưới lực cắt nếu không có đồ gá thích hợp. Việc tăng cường độ cứng của phôi thông qua các đồ gá thích hợp hoặc các điểm hỗ trợ bổ sung sẽ cải thiện độ chính xác gia công.

Hình học dụng cụ bao gồm góc trước, bán kính mũi và cấu hình phá phoi ảnh hưởng đến lực cắt. Các hình dạng khác nhau tạo ra các mức kháng khác nhau — ví dụ, góc trước lớn hơn làm giảm lực cắt nhưng làm giảm độ bền của dụng cụ. Việc lựa chọn hình học phù hợp phù hợp với các yêu cầu gia công cụ thể.

Các thông số cắt — tốc độ, tốc độ nạp và chiều sâu cắt — ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Tốc độ quá mức sẽ làm tăng tốc độ mòn của dụng cụ trong khi tốc độ không đủ sẽ làm giảm hiệu quả. Tốc độ nạp không chính xác gây ra quá tải dụng cụ hoặc độ hoàn thiện bề mặt kém, trong khi chiều sâu cắt không chính xác gây ra rung động hoặc kéo dài thời gian gia công. Tối ưu hóa thông số đảm bảo kết quả chất lượng.

Các đặc điểm của hệ thống trục chính bao gồm độ cứng, hiệu suất ổ đỡ/bánh răng và chất lượng kết nối giá đỡ dụng cụ ảnh hưởng đến kết quả doa. Độ cứng trục chính không đủ gây ra rung động, trong khi hiệu suất ổ đỡ/bánh răng kém làm giảm độ chính xác khi quay. Các kết nối lỏng lẻo dẫn đến sự không ổn định của dụng cụ. Các hệ thống trục chính có độ chính xác cao, cứng là điều cần thiết.

Các phương pháp kẹp dụng cụ ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng doa. Chiều cao tâm dụng cụ thể hiện một yếu tố quan trọng — chiều cao không chính xác làm thay đổi góc trước và góc thoát hiệu quả, gây ra sự giao thoa giữa dụng cụ và phôi. Khi dụng cụ quay, ma sát phát triển, có khả năng đẩy dụng cụ sâu hơn vào phôi.

Việc tăng góc trước làm giảm lực cắt và sinh nhiệt nhưng làm giảm độ bền của cạnh cắt. Khi các góc thoát giảm, các góc trước hiệu quả tăng lên, gây ra hiện tượng cào dụng cụ — đặc biệt có vấn đề trong việc doa lỗ nhỏ. Vị trí dụng cụ tối ưu hơi cao hơn chiều cao tâm (trong khi vẫn ở gần nhất có thể) sẽ cải thiện các góc thoát và điều kiện cắt.

Trong quá trình rung, đầu dụng cụ lệch xuống dưới về phía chiều cao tâm, tiến gần đến vị trí lý tưởng. Việc rút lại dụng cụ một chút sẽ giảm thiểu nguy cơ làm hỏng phôi. Các góc trước nhỏ hơn ổn định áp suất cắt, mặc dù các góc quá nhỏ (tiến gần đến 0°) có thể gây ra hỏng dụng cụ — dụng cụ doa góc trước dương thường được ưa chuộng.

Trong các hoạt động doa, vị trí bên trong của dụng cụ hạn chế khả năng tiếp cận chất lỏng cắt đến cạnh cắt, gây khó khăn cho việc loại bỏ phoi và giảm tuổi thọ của dụng cụ. Các giải pháp bao gồm dụng cụ làm mát bên trong và hệ thống chất lỏng cắt áp suất cao.

Việc lựa chọn dụng cụ doa phụ thuộc nhiều vào đường kính và chiều dài lỗ (độ sâu và phần nhô ra). Các hướng dẫn chung khuyến nghị phần nhô ra tối thiểu và kích thước dụng cụ thực tế tối đa. Việc lựa chọn dụng cụ, ứng dụng và kẹp chặt đúng cách sẽ giảm thiểu độ lệch và rung động.

Trong quá trình cắt, cả lực tiếp tuyến và lực hướng tâm đều cố gắng làm lệch dụng cụ khỏi phôi. Độ lệch hướng tâm làm giảm chiều sâu cắt và độ dày phoi, có khả năng gây ra rung động. Độ lệch hướng tâm ảnh hưởng đến đường kính lỗ, trong khi độ lệch tiếp tuyến di chuyển cạnh cắt xuống dưới so với đường tâm. Các cân nhắc chính khi doa bao gồm hình học chèn, thoát phoi và yêu cầu về dụng cụ.

Góc nghiêng của dụng cụ ảnh hưởng đến hướng/độ lớn của lực dọc trục và hướng tâm. Bán kính mũi và góc ảnh hưởng quan trọng đến việc giảm lực — một quy tắc chung cho thấy bán kính mũi nhỏ hơn một chút so với chiều sâu cắt. Đối với tiện bên trong, hình học góc trước dương tạo ra lực cắt thấp hơn so với các lựa chọn góc trước âm. Các vật liệu ma sát thấp như chèn gốm, chèn mỏng hoặc chèn không tráng thường tạo ra lực cắt giảm và được ưa chuộng.

Việc thoát phoi chứng minh là rất quan trọng đối với hiệu suất và an toàn trong gia công bên trong. Phoi ngắn làm tăng mức tiêu thụ điện năng, rung động và mòn miệng, trong khi phoi dài gây ra các vấn đề về thoát phoi. Phoi lý tưởng là ngắn và có hình xoắn ốc, tạo điều kiện cho việc loại bỏ với áp suất cạnh cắt tối thiểu.

Lực ly tâm đẩy phoi ra ngoài, mặc dù chúng thường vẫn còn trong lỗ, có khả năng làm hỏng cả phôi và dụng cụ khi bị nén vào các bề mặt đã gia công. Việc cải thiện việc thoát phoi liên quan đến việc sử dụng chất lỏng cắt bên trong hoặc khí nén thông qua các kênh trục chính. Doa ngược giúp hướng phoi ra khỏi cạnh cắt. Tốc độ cắt giảm và đầu cắt nhỏ hơn sẽ tối đa hóa không gian thoát phoi.

Việc lựa chọn dụng cụ gia công bên trong tuân theo các nguyên tắc sau:

• Chọn đường kính thanh doa lớn nhất có thể trong khi vẫn duy trì khoảng hở phoi đầy đủ.
• Đảm bảo khả năng tương thích với các thông số cắt và sự hình thành phoi để thoát ra trơn tru.
• Giảm thiểu chiều dài nhô ra — chiều dài kẹp phải vượt quá ba lần đường kính thanh.
• Chọn các góc nghiêng vượt quá 75°, tốt nhất là tiến gần đến 90°, để hướng lực dọc theo trục thanh.
• Chọn hình học góc trước dương để giảm thiểu độ lệch.
• Sử dụng bán kính mũi nhỏ hơn chiều sâu cắt.
• Tránh rung động do chưa đủ ăn khớp (bị ma sát chi phối) hoặc ăn khớp quá mức (độ sâu/tốc độ nạp lớn).
• Ưu tiên chèn gốm hoặc chèn mỏng/không tráng để giảm lực cắt, đặc biệt là với tỷ lệ chiều dài trên đường kính cao.
• Hình học phá phoi mở thường có lợi cho các hoạt động doa.
• Chèn có độ bền cao hơn có thể cần thiết cho các vấn đề về đóng gói phoi hoặc rung động — các đường dẫn dụng cụ đã sửa đổi có thể cải thiện sự hình thành phoi.