Bài giảng Nguyên lý gia công vật liệu: Chương 5 - TS. Nguyễn Trọng Hải

Bài giảng Nguyên lý gia công vật liệu: Chương 5 - Động lực học quá trình cắt được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Hệ thống lực tác dụng lên dụng cụ cắt; Lực cắt khi tiện; Mục đích của việc tính toán và đo lực cắt; Phương pháp tính toán lực cắt;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.

Trang 1

BÀI GIẢNG

NGUYÊN LÝ GIA CÔNG VẬT LIỆU

(ME4212)

1

CHƯƠNG 5

ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH CẮT

(Phiên bản 04, 10/2015)

5.1 Hệ thống lực tác dụng lên dụng cụ cắt 5.1.1 Lực cắt trong hệ thống động lực học quá trình cắt 5.1.2 Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau dụng cụ cắt 5.1.3 Lực cắt đơn vị và các quy luật của lực cắt

5.2 Lực cắt khi tiện 5.2.1 Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 5.2.2 Công thức tổng quát để tính lực cắt khi tiện

TS Nguyễn Trọng Hải – Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Ảnh hưởng của lực cắt trong quá trình cắt

3

Chương 5: Động lực học quá trình cắt

Lực cắt ảnh hưởng đến những yếu tố nào trong quá trình cắt?

 Dụng cụ cắt

 Đồ gá

 Máy công cụ

 Năng suất

 Năng lượng

 …

Mục đích của việc tính toán và đo lực cắt

4

Tại sao phải tính toán lực cắt?

 Thiết kế dụng cụ cắt

 Tính toán tuổi thọ dụng cụ cắt

 Thiết kế đồ gá

 Tính toán công suất máy

 Tính toán năng lượng tiêu hao

 …

Trang 2

Sự dao động của lực cắt

5

Lực cắt thay đổi hay cố định (hằng số) trong quá trình cắt?

Trong quá trình cắt liên tục (vd tiện), lực cắt cố định hay thay đổi?

(bỏ qua lẹo dao, chiều sâu cắt không đổi)

Phương pháp tính toán lực cắt

6

Tĩnh học

Giá trị trung bình giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của sự dao động của lực cắt

Động học

Sự thay đổi của lực cắt trong suốt quá trình cắt

5.1 Hệ thống lực tác dụng lên DCC

Phân biệt hai dạng cắt chính

 Cắt vuông góc/cắt tự do (orthogonal cutting)

 Cắt nghiêng/cắt không tự do (Oblique cutting)

7

Bề mặt gia công

Lưỡi cắt thẳng

Lưỡi cắt nghiêng Chuyển động của phôi Chuyển động

của phôi

Dcc Dcc

Phân biệt hai dạng cắt chính (tiếp)

8

Cắt vuông góc Cắt nghiêng/cắt tự do

Trang 3

Nguyên nhân sinh ra lực cắt

 Lực phá vỡ liên kết kim loại

 Lực ma sát giữa dụng cụ và vật liệu gia công

9 TS Nguyễn Trọng Hải – Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Nguyên nhân sinh ra lực cắt (tiếp)

10

Nguyên nhân sinh ra lực cắt (tiếp)

11

Hình 5.2 Dụng cụ làm việc trong điều kiên không tự do

Lực ma sát trên mặt trước

Lực pháp tuyến lên mặt trước

Góc thoát phoi

Trên mặt trước

Lực pháp tuyến (N)

Lực ma sát (F)

Trên mặt sau

Lực pháp tuyến (N1)

Lực ma sát (F1)



Những điều cần chú ý về F 1 , N 1

12

 a < 0,01 mm -> N1, F1<< N, F

 a, ,  không ảnh hưởng đến N1, F1

 Chủ yếu tính đàn hồi của VLGC và b ảnh hưởng đến N1, F1

Lực cắt tổng hợp

P = N + N 1 + F + F 1 Lực ma sát trên mặt trước

F = F N + F T

=> P = N + F N + F T + N 1 + F 1 (5.2)

(5.1)

Trang 4

13

Lực cắt tổng hợp trong Oxyz

P= P +P +P (5.3)

Y

P =(Fcosηsinγ+Ncosγ)cosλ+Fsinηsinλ+F

P =(Fcosηsinγ+Ncosγ)sinλ-Fsinηsinλ

P =Fcosηcosγ-Nsinγ+N

(5.8) (5.9) (5.10)

Góc giữa lực cắt tổng hợp và vận tốc cắt

1 1

Fsinη+Fsinλ tgν=

Fcosηsinγ+Ncosγ+Fcosλ (5.11)

14

Góc giữa lực cắt tổng hợp và Oyz

(5.13)

Khi cắt vuông góc (  = 0)

(5.17)

X XZ Z

P tgψ = cos(λ-ν)

P

 = 0,  = 0

Y

P =Fsinγ+Ncosγ+F

P =0

P =Fcosγ-Nsinγ+N

X XZ Z

P tgψ =

P

(5.14) (5.15) (5.16)

15

Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (a) đến lực cắt

a 0

N = 0

F = 0

N1 0

F1 0

PX 0

PY= 0

PZ 0

a  0,01

N = 0

F = 0

N1 0

F1 0

PX 0

PY= 0

PZ 0

N  0

F  0

N1 0

F1 0

PX 0

PY 0

PZ 0

Nhấp nhô bề mặt

16

Ảnh hưởng của góc trước ( ) đến lực cắt

Trang 5

TS Nguyễn Trọng Hải – Đại Học Bách Khoa Hà Nội 17

Các cách biểu diễn lực cắt tổng hợp

Độ lớn tương quan giữa các thành phần lực cắt

Trong một trường hợp tiện phoi có độ lớn trung bình:

PX: PY: PZ= 1: 0,4: 0,25

Mối quan hệ này phụ thuộc vào:

Lượng chạy dao (S)

Góc cắt ()

Góc nghiêng chính ()

Bán kính mũi dao (r)

Độ mòn lưỡi cắt

Chiều sâu cắt (t)

Tính chất cơ học của VLGC

Lực cắt đơn vị: Tỷ lệ của lực cắt chính (P Z ) và tiết diện phoi cắt.

19

2 Z

P p= (N/mm ) S

Những yếu tố ảnh hưởng lực cắt đơn vị

S – diện tích lớp cắt (mm2)

 Chiều dày cắt (a)

 Góc cắt ()

 Vận tốc cắt (v)

 Góc nghiêng chính ()

 Tỷ lệ a/b cho một diện tích phoi cho trước

 Bán kính mũi dao (r)

 Góc sau ()

Ảnh hưởng của VLGC đến lực cắt đơn vị

20

Những đặc tính của VLGC ảnh hưởng đến lực cắt đơn vị:

Độ bền

Độ cứng

Độ dẻo

Khả năng biến cứng

Ma sát giữa VLGC và VLDCC

Thép và HK nhẹ Gang và VL giòn

0,4 0,7 1 1

p p

pt pt





 

    

 

0,3 0,7

1 1

2 2

p p

HB HB



Trang 6

Ảnh hưởng của VLGC đến lực cắt đơn vị

21

Những đặc tính của VLGC ảnh hưởng đến lực cắt đơn vị:

Độ bền

Độ cứng

Độ dẻo

Khả năng biến cứng

Ma sát giữa VLGC và VLDCC

Thép và HK nhẹ Gang và VL giòn

0,4 0,7 1 1

p p

pt pt





 

    

 

0,3 0,7

1 1

2 2

p p

HB HB



Ảnh hưởng của chiều dày cắt đến lực cắt đơn vị

22

u

c p=

a

Thép: pt= 64 kG/mm2; v = 100 m/ph; a:b = 1:10;  = 80o;  = 8o

Gang: HB = 185; v = 75 m/ph;

a:b = 1:10;  = 75o;  = 8o

Hợp kim nhôm: pt= 29 kG/mm2;

v = 220 m/ph;

Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt đơn vị

23

Sự thay đổi vận tốc cắt ảnh hưởng đến những yếu tố nào?

 Độ lớn của miền tạo phoi

 Ở tốc độ cao hơn, miền tạo phoi lớn hơn hay nhỏ hơn?

 Nhiệt độ của VLGC

 Ở nhiệt tốc độ cắt cao, nhiệt của VLGC cao hơn hay thấp hơn? Tại sao?

 Vận tốc tải trọng của VLGC

 Vận tốc tải trọng ảnh hưởng gì đến lực cắt?

 Ma sát giữa DCC và VLGC

 Có mối quan hệ gì giữa vận tốc cắt và hệ số ma sát giữa DCC và VLGC?

 Sự xuất hiện và kích thước lẹo dao

Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt đơn vị (tiếp)

24

Hình 5.8 Ảnh hưởng của V đến p Tiện thép pt= 144 kg/mm2;  = 90o; a:b = 1:10

(a = 0,017 mm)

(a = 0,12 mm) (a = 0,47 mm)

Trang 7

Ảnh hưởng của góc cắt đến lực cắt đơn vị (tiếp)

25

Hình 5.9 Ảnh hưởng của V và  đến p Tiện thép pt= 65 kg/mm2; a = 0,15 mm; b = 2 mm

(  = 100 o )

(  = 70 o ) (  = 80 o ) (  = 90 o )

Ảnh hưởng của góc cắt đến lực cắt đơn vị

26

 Chiều dày phoi (tc)

 Vận tốc cắt (v)

 Độ dẻo của VLGC

p = cx

c = c(tc, v, độ dẻo VLGC)

Thép cacbon 0,50 – 0,70 Thép hợp kim 0,45 – 0,55

Ảnh hưởng của góc cắt đến lực cắt đơn vị (tiếp)

27

Theo VLGC?

Theo chiều dày cắt?

28

Các yếu tố ảnh hướng tới lực cắt - Góc trước γ

Khi góc γ càng nhỏ thì góc cắt càng lớn, hệ số co rut phoi càng lớn, công tạo phoi lớn làm tăng toàn bộ hệ thống lực cắt

Ft

Góc trước () Không dùng dung dịch trơn nguội

Dùng dung dịch trơn nguội

Trang 8

29

Các yếu tố ảnh hướng tới lực cắt - góc nghiêng chính φ

Góc nghiêng chính

Góc nghiêng chính Lực cắt

30

Các yếu tố ảnh hướng tới lực cắt (tiếp)

-Ảnh hưởng của góc sau α: Tăng góc sau thì diện tích tiếp xúc

giảm, do đó giảm lực pháp tuyến trên mặt sau N2 và tiếp tuyến trên mặt sau F2làm cho lực cắt tổng hợp giảm

- Ảnh hưởng của góc nâng λ: Khi tăng góc nâng λ thì hệ số co rút

phoi tăng, góc trước của lưỡi cắt phụ giảm, đồng thời làm tăng áp lực của phoi lên bề mặt chi tiết gia công nên làm tăng hệ số ma sát dẫn tới lực cắt tăng

31

Ảnh hưởng của bán kính mũi dao

Khi tăng bán kính mũi dao thì chiều dài đoạn cong lưỡi cắt tăng, góc

mũi dao giảm vì vậy tăng chiều rộng và giảm chiều dày phoi, tăng hệ số co

rút phoi Khi tăng bán kính mũi dao r thì góc nghiêng chính giảm là cho Pz, Py

tăng còn Px giảm

32

Ảnh hưởng của độ mòn dao:

Độ mòn dao làm tăng bề mặt tiếp xúc của dao trên các bề mặt làm việc, làm tăng bán kính mũi dao, làm giảm các góc ở bộ phận cắt (góc sau, góc trước)

do đó khi dao bị mòn lực cắt tăng lên rõ rệt

Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội

Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì điều kiện tạo phoi thuận lợi, giảm hệ số

co rút phoi, giảm hệ số trượt tương đối, do đó giảm ma sát trung bình và lực

ma sát trên mặt trước Vậy khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì lực cắt giảm

Trang 9

Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực cắt

Khi không có lẹo dao

Khi không có lẹo dao lực cắt giảm khi vận tốc cắt tăng.

Hình 5.20 Ảnh hưởng của vận tốc cắt v đến PZ,

PY, PXkhi tiện bằng dao hợp kim cứng Titan với

= 70o; t = 2,5 mm; S = 0,47 mm/vg

Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực cắt (tiếp) Khi có lẹo dao

Khi có lẹo dao, lực cắt không chỉ phụ thuộc vào tốc độ cắt mà còn phụ thuộc kích thước lẹo dao.

Hình 5.21 Quan hệ giữa v với PZ, KLvà H (H-Chiều cao lẹo dao, K-hệ số co rút phoi)

v1 v2 v3

Vùng 1: lực cắt phụ thuộc kích thước lẹo dao Vùng 2: lực cắt phụ thuộc vận tốc cắt

35

Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực cắt (tiếp)

Khi lượng chạy dao thay đổi

5.2 Lực cắt khi tiện

Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt

36

Hình 5.26 Hệ thống lực cắt khi tiện

Lực tiếp tuyến (lực cắt chính) P Z

Tính công suất truyền động chính

Độ bền dao

Lực hướng kính P Y

Làm cong chi tiết

Ảnh hưởng độ chính xác gia công, độ cứng vững của DCC và máy

Lực chiều trục P X

Tính độ bền chi tiết trong chuyển động phụ

Độ bền DCC

Công suất chạy dao

Trang 10

Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt (tiếp)

37

Công thức tổng quát để tính lực cắt khi tiện

38

pz pz pz

x y n

z pz pz

x y n

y py py

x y n

x px px

P C t S v K



(5.134) (5.135) (5.136)

pz mz z z rz wz z

py my y y ry wy y

px mx x x rx wx x

K K K K K K K



(5.137) (5.138) (5.139) Trong đó:

Công thức tổng quát để tính lực cắt khi tiện (tiếp)

39

Kmz, Kmy, Kmx – Hệ số ảnh hưởng của VLGC

40

Kz, Ky, Kx – Hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng chính

Trang 11

41

Kz, Ky, Kx – Hệ số ảnh hưởng của góc trước

42

Krz, Kry, Krx – Hệ số ảnh hưởng của bán kính mũi dao

43

Kwz, Kwy, Kwx – Hệ số ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội

44

Kz, Ky, Kx – Hệ số ảnh hưởng của độ mài mòn mặt sau

Trang 12

45

Cpz, Cpy, Cpx – Hệ số ảnh hưởng điều kiện gia công nhất định

46

Các hệ số mũ của t và S

Công suất cắt và công suất động cơ

47

Công suất khi tiện = Công suất cắt (Nc) + công suất chạy dao (Ns)

Công suất cắt

Công suất chạy dao

Công suất động cơ

48

Kiểm tra sức bền của dao (điều kiện bền uốn)

Lực Pzvà Pxgây uốn, Pynén

  .  

W

u

P l

     

2 u

W 6

BH



3 u

W 32

D





2 2

x z

P  P  P

(dao dạnh thanh chữ nhật)

(dao dạnh thanh tròn)

Trang 13

Tính độ võng của chi tiết gia công do lực P z và P x

y

P  P

3

P l f

K E J



4 64

d

J  

K là hệ số phụ thuộc vào cách gá đặt chi tiết

Tính vận tốc cắt thực nghiệm

.

v v

m yv xv

C

T S t



Cv: Hệ số ảnh hưởng của điều kiện và phương pháp gia công T: Tuổi bền của dao (phút)

51

Thời gian máy T o :

.

o

L h T

n S t



L: Đường đi của dao n: Số vòng quay trong 1 phút của chi tiết n (vg/ph) t: Chiều sâu cắt

h: Lượng dư gia công h/t : Số lần chạy dao

Bài tập

BT5-1 Trên máy tiện người ta tiện ngoài theo điều kiện:

Chi tiết : phôi trục thép cán C50, có σb= 700N/mm2; Ф = 50mm; L = 800mm Dao tiện T15K6 có γ= -100; α = 80; λ = 50; φ = 600; φ1=300; r=0,5mm; dao vừa mới mài sắc

Chế độ cắt t=5mm; s=0,28mm/vg; n=700 vòng/phút; tưới đủ dung dịch trơn nguội

Máy T620 Ndc= 7KW; hiệu suất η = 0,8 Cách gá đặt một đầu kẹp mâm cặp, một đầu chống tâm Yêu cầu tính độ võng lớn nhất của trục gia công và kiểm tra độ an toàn của động cơ Nếu [f] =0,15mm có đảm bảo không?

52

Tiêu đề	Chương 5: Động lực học quá trình cắt
Tác giả	Nhóm tác giả
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Trọng Hải
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Nguyên lý gia công vật liệu
Thể loại	Bài giảng
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	14
Dung lượng	2,37 MB