Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại docx

Để tính toán các lực trên, có thể thực hiện theo hai phương pháp ⇒Dựa vào các quá trình lý thuyết trên cơ sở phân tích quá trình cắt phôi như một trong những trường hợp đặc biệt của biến

Trang 1

Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại

LỰC CẮT VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

Thực hiện : Phạm Minh Tâm

Vũ Quang Lương

Trang 2

1. Khái niệm lực cắt

2. Các mô hình xác định lực cắt

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt

4. Ứng dụng trong tính toán thiết kế

5. Các kết luận và định hướng nghiên cứu

Trang 3

1.Khái niệm lực cắt

Trong quá trình cắt xuất hiện các lực tác dụng lên phôi và dụng cụ cắt, được gọi là lực cắt Để tính công suất truyền động và độ cứng vững của máy, độ bền

và độ cứng vững của dụng cụ và đồ gá cần phải tính toán được các lực này

Để tính toán các lực trên, có thể thực hiện theo hai phương pháp

⇒Dựa vào các quá trình lý thuyết trên cơ sở phân tích quá trình cắt phôi như một trong những trường hợp đặc biệt của biến dạng dẻo

⇒Xác định bằng phương pháp thực nghiệm

Trang 4

2 Các mô hình xác định lực cắt

Để điều khiển gia công một cách kinh tế nhất và đảm bảo yêu cầu chính xác, ta xây dựng các mô hình của các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt Dựa trên mô hình lực tạo phoi ta xác định được yêu cầu về năng lượng và tính chất biến dạng của hệ thống công nghệ

⇒Dựa trên các tiên đề rồi dùng phương pháp diễn giải để

mô tả cơ chế tác động cơ lí qua lại của quá trình tạo phoi từ

đó rút ra các biểu thức giải tích mô tả các đại lượng xuất hiện trong và sau quá trình cắt

⇒Dựa trên nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với xử lí số liệu theo phương pháp thống kê để rút ra mô hình Phương pháp này đảm bảo tính kinh tế trong quá trình nghiên cứu cũng như đạt được độ chính xác cao và dễ triển khai áp dụng vào sản xuất

Trang 5

Mô hình lực tạo phoi.

Hình 1 Mô hình lực tạo phoi

F NMT – lực pháp tuyến ở mặt trước của dao; F msMT – lực ma sát ở mặt trước của dao; F NMS – lực pháp tuyến ở mặt sau dao; F msMS – lực ma sát ở mặt sau dao; F r – Lực cản ở cung

tròn của mép cắt.

Trang 6

Mô hình mạng lưới SPH (Smooth Particle Hydrodynamics methods)

Hình 1 Ví vụ về

mô hình mạng

lưới SPH

Hình 2 Ba vùng vật liệu khi cắt kim loại

Trang 7

Hình 5 Kết quả từ phân tích SPH, biểu diễn các phần biến dạng dẻo của vật liệu khi cắt

Trang 8

Mô hình FEM (Finite Element Method)

Sử dụng phần mềm LS-DYNA có thể tính toán lực cắt theo 2 hướng dựa trên mô hình 3D, cũng có thể dự đoán sự hình thành phoi trong quá trình cắt

Hình 6 Mô hình FEMThực hiện 2 thí nghiệm:

Trang 9

 Trong phần này mô hình và phân tích độ nhạy cho mô hình này được mô

tả Các mô hình FEM cắt được chuẩn bị để phân tích trong các mã FEM DYNA.

LS- Mục đích là để có được một mô hình với một thời gian tính toán càng ngắn càng tốt và có khả năng dự báo lực đầu ra trong tính toán so sánh với lực đo từ các thử nghiệm, và đồng thời dự đoán một hình phoi thực tế

 Các mô hình FEM được sử dụng là một mô hình 3D rắn nơi đầu ra là lực kiểm tra theo hai hướng: hướng lực cắt và hướng lực đẩy Phân tích này được thực hiện với một tốc độ không đổi của các công cụ theo hướng x, như trong hình 6 Công cụ này có hình học tương tự như công cụ được sử dụng trong các thí nghiệm Một phân tích so sánh giữa các số và những thí nghiệm được mô tả trong Phần cuối

 Trên cơ sở khảo sát văn học được chọn để thực hiện các phân tích như mô

tả trong đây Một số giả định đã được thực hiện để giảm bớt kích thước mô hình và thời gian tính toán, cho phép phát triển một phương pháp hữu ích:

Trang 10

Phân tích lưới phân tử

Trong những phân tích kích thước lưới ảnh hưởng lực đầu

ra được kiểm tra Các phân tích lưới thực hiện là một phân tích ảnh hưởng kích thước lưới trên biến động lực lượng đầu ra Các phân tích thực hiện không phải là một nghiên cứu hội tụ và để kiểm tra các ảnh hưởng kích thước lưới với lực đầu ra , hai phân tích khác nhau đã được thực hiện:

- Phân tích lưới dạng 1 : Lưới kích thước trên phôi, nơi mà các dụng cụ đã cùng các yếu tố trên độ dày như phôi

Khi cắt phôi bằng dụng cụ có cùng phần tử trong mạng tinh thể

Ví dụ: Khi cắt với dụng cụ và chi tiết có cùng 8 phần tử (mịn) hoặc

4 phần tử (thô)

Trang 11

-Khi cắt phôi bằng dụng cụ có cùng phần tử trong mạng tinh thể

Ví dụ: Khi cắt với dụng cụ và chi tiết có cùng 8 phần tử (mịn) hoặc

4 phần tử (thô)

Trang 12

Hình 8 Các lực mô phỏng, các lực cắt Fx và lực đẩy lực lượng FZ.,

Để phân tích với lưới mịn và phân tích với lưới thô, thời gian

khoảng 250-880 μsBiểu đồ lực cắt theo thời gian thu được:

Trang 13

Như trong hình 8 có một biến động nhỏ trong lực lượng đầu ra từ những phân tích với lưới mịn so với phân tích với lưới thô Từ những phân tích nó có thể được kết luận rằng nó là cần thiết với một lưới trên phôi tốt để có thể giả lập một lực lượng đầu

ra mà không có biến động quá lớn Trong phân tích các yếu tố có méo dưới công cụ cắt và trong phoi Các phân tích với lưới mịn có yếu tố ít méo hơn phân tích với lưới thô Ta có kết luận rằng những phân tích thực hiện "phân tích độ nhạy lưới 1" việc xoá các yếu tố

ăn mòn là nguyên nhân chính của sự biến động trong lực lượng đầu ra

Trang 14

- Phân tích lưới dạng 2: Lưới kích thước trên phôi, nơi dụng cụ có thêm các yếu tố trên bề dày hơn phôi

Ví dụ: Khi cắt với dụng cụ có 16 phần tử đối với phôi có 4 phần tử và 1 phần tử

Trang 15

Hình 10 Phân tích 2: các lực lượng mô phỏng các lực cắt Fx và lực đẩy

FZ, để phân tích với một trong những phân tích nguyên tố với bốn yếu

tố trong hướng y, thời gian khoảng 120-600 μs

Trang 16

Các lực đầu ra để phân tích được so sánh trong Hình

10 Như trong hình 10 biến động của lực đầu ra là nhỏ hơn khi

có một số yếu tố trên phôi Nhận xét từ những phân tích nó có thể được kết luận rằng một lưới mịn trên phôi là cần thiết để có thể giả lập một lực đầu ra mà không có biến động quá lớn Điều này là khác biệt nhất cho lực đầu ra, cho lực đẩy FZ

Trang 17

Từ hai thí nghiệm trên ta có sơ đồ tổng quát:

Trang 18

Khi sự khác nhau giữa các biến động của lực đầu ra từ " phân tích lưới 1" được so sánh với sự khác biệt giữa các biến động của lực lượng đầu ra từ “phân tích lưới 2", những biến động của lực đầu ra có kích thước nhỏ khi lưới trên dụng cụ này là mịn hơn trên phôi Điều này cũng đã nêu bởi Bali: các cơ quan cân nhắc cần phải

có một lưới hợp lý tốt, khoảng cách nút trên bề mặt tiếp xúc của một cơ thể cứng nhắc nên có thô hơn lưới của bất cứ phần nào biến dạng mà tiếp xúc với cơ thể cứng nhắc " Điều này có thể chỉ ra rằng kích thước lưới tại các hướng y của dụng cụ này làm giảm sự biến động của lực lượng đầu ra Điều này có thể do thực tế là các thuật toán liên lạc là nhạy cảm với kích thước lưới trên công cụ Một giải pháp, có thể được sử dụng để tránh vấn đề này, có thể được sử dụng một bề mặt VDA thay vì một phần meshed cho công cụ cắt

Trang 19

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt

3.1 Ảnh hưởng của bề rộng b và chiều sâu cắt a tới lực cắt Pz.

Theo một số nghiên cứu, phương trình quan hệ giữa lực cắt Pz

và các thông số a, b tuân theo quy luật hàm số mũ

Trang 20

3.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao tới lực cắt.

Lực cắt Pz tăng tỷ lệ với bề rộng cắt b hoặc chiều sâu cắt t

và với mức độ thấp hơn đối với chiều dày cắt a và lượng chạy dao s Lực cắt đơn vị p phụ thuộc vào chiều sâu cắt t và lượng chạy dao s theo công thức sau:

p=Pz/f = cts0,75/ts = c/s0,25

Hiện nay, để tính các thành phần lực cắt có thể dùng các công thức:

Trang 21

3.3 Ảnh hưởng của vật liệu gia công tới lực cắt

Khi gia công, kim loại bị biến dạng mạnh, lực cắt chịu ảnh hưởng của lực ma sát của phoi và vật liệu gia công với mặt trước của dao Mặt khác trong quá trình gia công kim loại vùng cắt bị nung nóng mạnh Do đó không thể có công thức tính chính xác để tính toán ảnh hưởng của vật liệu gia công cũng như độ bền kéo δB, độ cứng HB và một

Trang 22

3.4 Ảnh hưởng của vật liệu dao tới lực cắt

Ảnh hưởng này tồn tại là do có lực ma sát xuất hiện giữa vật liệu gia công và vật liệu dao

Lực cắt đơn vị p cũng phụ thuộc vào vật liệu theo mức

độ khác nhau; cùng một tốc độ cắt nhưng lực cắt đơn vị khi gia công bằng dao thép gió P18 lơn hơn lực cắt đơn vị khi gia công bằng dao hợp kim T5K10 hoặc T48

Trang 23

3.5 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt

Trong vùng biến đổi của tốc độ cắt, khi co rút phoi giảm thì lực cắt cũng giảm và ngược lại Biểu đồ dưới thể hiện sự phụ thuộc của lực cắt Pz vào tốc độ cắt v và góc trước γ khi gia công thép 40X với chiều dày cắt a=0,2mm và bề rộng cắt b=4mm

Trang 24

3.6 Ảnh hưởng của các thông số hình học của dao tới lực cắt

3.6.1 Ảnh hưởng của góc trước và góc sau tới lực cắt.

Khi góc trước γ tăng, điều kiện cắt nhẹ nhàng, thoát phoi dễ, biến dạng của vật liệu gia công giảm

và hệ số co rút phoi cũng giảm, do đó lực cắt Pz giảm

Khi góc sau α giảm, tiếp xúc của dao và bề mặt gia công tăng, làm cho lực ma sát và lực cắt tăng

Trang 25

3.6.2 Ảnh hưởng của góc cắt δ tới lực cắt.

Khi góc cắt δ tăng (nghĩa là góc trước γ giảm), áp lực của phoi lên mặt dao tăng, bởi vì góc trượt giảm và biến dạng của phoi tăng, đồng thời lực ma sát ở mặt trước của dao cũng tăng

Các nghiên cứu thực nghiệm đưa ra kết quả: Trong phạm vi của góc δ từ 600 ÷ 900 lực cắt Pz tỷ lệ thuận với góc cắt δ Như vậy, nếu lấy Pz khi δ = 750 là hệ số 1 (hệ

số cắt gọt được xác định khi δ = 750) thì với δ bất kì, lực cắt Pz được xác định theo công thức:

Trang 26

3.6.3 Ảnh hưởng góc nghiêng chính ϕ tới lực cắt.

Áp lực lên dao tăng khi góc nghiêng chính ϕ giảm và ngược lại khi ϕ < 550 Một số nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: khi góc

ϕ > 550 áp lực không giảm mà còn tăng theo chiều tăng của góc

ϕ, bởi vì khi cắt với góc ϕ lớn như vậy có sự thay đổi điều kiện hình thành phoi ở đỉnh dao

Một số công thức biểu diễn sự ảnh hưởng của ϕ và Pz như sau:

- Khi gia công thép bằng dao có ϕ < 550:

Trang 27

3.6.4 Ảnh hưởng góc nghiêng lưỡi cắt λ tới lực cắt.

Hình dưới là các đường cong mô tả quan hệ sự phụ thuộc này:

ta thấy Pz tăng khi λ > 100 Lực Py tăng, còn lực Px giảm khi góc λ tăng

Trang 28

3.6.5 Ảnh hưởng dung dịch trơn nguội tới lực cắt.

Nhiều nghiên cứu cho thấy sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm lực cắt xuống 30% và thậm chí xuống 45% khi cắt ren bằng ta rô

Mức độ thay đổi lực cắt không chỉ phụ thuộc vào dung dịch trơn nguội mà còn phụ thuộc vào vật liệu gia công, chiều dày cắt, các góc của dao và tốc độ cắt

Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu lại khuyên không nên sử dụng dung dịch trơn nguội khi gia công với tốc độ cắt lớn

Trang 29

3.6.6 Ảnh hưởng hình dạng và vật liệu dao tới lực cắt.

Tùy thuộc vào yêu cầu của quy trình công nghệ, trong thực tế người ta sử dụng nhiều loại dao gia công có hình dạng và vật liệu khác nhau Dao có hình dạng lưỡi cắt cong làm tăng lực cắt nhưng nó lại cho phép gia công đạt độ bóng bề mặt tốt hơn; dao có phần lõm ở mặt trước thì làm việc nhẹ hơn (vì góc cắt nhỏ hơn) Với các loại dao có vật liệu khác nhau, lực cắt biến đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào

Trang 30

4 Ứng dụng trong tính toán, thiết kế

Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý nghĩa hết sức cả lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những nhận thức về mặt lực cắt rất quan trọng để:

-Thiết kế dụng cụ cắt

Do ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt, chúng ta có thể tính toán thiết kế và chế tạo dụng cụ cắt đảm bảo chính xác, giảm lực cắt khi cắt gọt

-Thiết kế đồ gá

Nếu tính toán được lực cắt, chúng ta sẽ thiết kế các đồ gá đảm bảo độ cứng vững khi gia công, giảm rung động trong quá trình cắt, tăng độ chính xác gia công

-Tính toán và thiết kế máy móc, thiết bị

Với lực cắt đã được xác định, các máy móc, thiết bị được tính toán và thiết kế đảm bảo đủ bền, đủ cứng vững và đủ công suất

để gia công các chi tiết

Trang 31

Dưới tác dụng của lực và nhiệt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá hủy; muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá hủy thì phải biết được quy luật tác động của lực cắt Trong các dây chuyền sản xuất và trung tâm gia công tự động ngày nay, việc tính toán tuổi bền của dụng cụ cắt là hết sức quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng gia công cũng như năng suất gia công và hiệu quả kinh tế

Muốn tính công tiêu hao khi cắt, chúng ta cũng phải biết được lực cắt Công việc này sẽ giúp ta tính toán được các hao tổn trong khi gia công và tìm các biện pháp để tăng năng suất gia công

Trang 32

Những nhận thức lý thuyết về lực cắt kim loại tạo khả năng chính xác hóa lý thuyết quá trình cắt Trong trong thái cân bằng năng lượng quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng; điều đó có nghĩa là một mặt lực cắt tác dụng lên vật liệu chống lại quá trình tách phoi, mặt khác lực cắt do các dụng

cụ cắt tác dụng lên lớp phoi và bề mặt cắt

Trang 33

5 Các kết luận và định hướng nghiên cứu

Việc nghiên cứu lực cắt trong quá cắt gọt kim loại phức tạp và

có nhiều yếu tố ảnh hưởng Tuy nhiên, chúng ta có thể phân tích

và tính toán lực cắt bằng cách sử dụng các mô hình lực cắt kết hợp với các tính toán khoa học

Ngày nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này

và đạt được các kết quả cao Các thành phần lực cắt đã được mô phỏng và tính toán dựa trên các phần mềm máy tính với độ chính xác cao

Việc nghiên cứu sự ảnh hưởng các yếu tố khác đến lực cắt là một trong những yêu cầu cần tiếp tục nghiên cứu để xác định chính xác lực cắt trong quá trình cắt gọt kim loại Ngoài ra lực cắt cũng ảnh hưởng đến độ chính xác gia công như chất lượng bề mặt chi tiết máy,…, đến sức bền và tuổi thọ của hệ thống công nghệ,

…Đây là những kiến thức cần tìm tòi và nghiên cứu nhiều hơn nữa

Tiêu đề	Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Tác giả	Phạm Minh Tâm, Vũ Quang Lương
Trường học	Cao đẳng Công nghiệp
Chuyên ngành	Cắt gọt kim loại
Thể loại	bài tập

Định dạng
Số trang	33
Dung lượng	2,46 MB