Nghiên cứu các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình khoan lỗ sâu trên vật liệu nhôm A7075

Nghiên cứu bản chất của quá trình tạo phoi và những khác biệt khi gia công vật liệu có tính dẻo như A7075 cũng như khi khoan lỗ sâu - Nghiên cứu lý thuyết về những hiện tượng vật lý xảy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH KHOAN LỖ SÂU TRÊN VẬT LIỆU NHÔM A7075

BÙI HỮU NAM

Thái Nguyên, 2012

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

BÙI HỮU NAM

NGHIÊN CỨU CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH KHOAN LỖ SÂU TRÊN VẬT LIỆU NHÔM A7075

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2012

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Trần Minh Đức

HỌC VIÊN

Bùi Hữu Nam

LỜI CAM ĐOAN

Với danh dự là một giảng viên đại học tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của tôi Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

BÙI HỮU NAM

Tôi muốn được cám ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, Bộ môn Chế tạo máy, Trung tập thí nghiệm đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình

Cuối cùng tôi muốn được bày tỏ lòng biết ơn đến cán bộ, công nhân Xưởng cơ khí II về những giúp đỡ quý báu tạo điều kiện cho tôi thực hiện thí nghiệm tại xưởng

Học viên

BÙI HỮU NAM

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG LỖ SÂU SỬ DỤNG MŨI KHOAN XOẮN 1

1.2 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi gia công vật liệu A7075 4 1.3 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi gia công lỗ sâu 5

1.3.3 Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc 9

1.3.4 Lực di chuyển phoi cho phoi dải 11

1.3.5 Ảnh hưởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo thành phoi xoắn ốc 12

1.3.6 Ảnh hưởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành phoi dạng dải 13

1.7.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới 25

1.7.2 Khái quát tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 26

1.7.3 Dự kiến vấn đề nghiên cứu 26

1.8 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2: 27

NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH GIA CÔNG LỖ SÂU VÀ BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG

2.1 Những khó khăn khi gia công lỗ sâu trên vật liệu A7075 27 2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công lỗ sâu 28

2.2.1.1 Thông số hình học 28

2.2.1.2 Vật liệu chế tạo mũi khoan 30

2.2.1.3 Chu trình gia công 31

2.4 Phương pháp nghiên cứu 37

3.1.1 Các giả thiết thí nghiệm 38

3.1.2 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm 38

3.1.5.5 Máy đo tọa độ CMM C544 -Mitutoyo-Nhật Bản 44

3.1.5.6 Kính hiển vi điện tử quyét VGA SBU Easy Probe 45

3.1.5.7 Máy đo độ nhám SJ201 46

3.2 Thí nghiệm so sánh 47

3.2.1 Trang bị công nghệ 47

3.2.2 Tiến trình thí nghiệm 47

3.2.3 Kết quả và thảo luận 48

3.2.3.1 Với chu trình gia công trực tiếp 51

3.2.3.2 Với chu trình gia công bẻ phoi 53 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học của dao và chế độ cắt đến mòn dao, độ

3.3.1 Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu 56

3.3.2 Quá trình thí nghiệm 56

3.3.2.1 Ảnh hưởng của các thông số đến sai lệch đường kính D 59

3.3.2.2 Ảnh hưởng của các thông số đến độ không trụ 66

3.3.2.4 Ảnh hưởng của các thông số đến độ mòn của dao 76

3 Áp dụng vào thực tiễn sản xuất 85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 Mô hình vùng biến dạng và ma sát trong quá trình tạo phoi 3

Hình 2 Vùng tiếp xúc ma sát giữa dao và chi tiết gia công 4

Hình 3 Các vùng biến dạng dẻo trong quá trình cắt kim loại 5

Hình 4 Mô hình cắt trực giao truyền thống 6

Hình 5 Các kích thước phoi khác nhau trong thí nghiệm 9

Hình 6: Phân tích lực khi khoan có phoi dạng xoắn ốc 9

Hình 8 Trạng thái ban đầu của phoi xoắn ốc 13

Biểu đồ 1 Mức độ ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng chạy dao đến lực cắt 15 Hình 11 Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại 16

Hình 12 Mô hình tính toán nhiệt cắt khi khoan lỗ sâu 17

Hình 13 Trường nhiệt độ đo được khi gia công lỗ sâu trong 2 trường hợp 18

Hình 14 Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và sau theo

Biểu đồ 2 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn 21

Hình 15 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn 25

Hình 16 Mũi khoan bị phá hủy trong quá trình khoan lỗ sâu 28Hình 17 Kết cấu

và hiệu quả của việc sử dụng rãnh chia phoi trong

Hình 18 Dạng phoi ở các giải vận tốc cắt với lượng chạy dao s = 0,1 mm/vg 33 Biểu đồ 4 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến dạng

Hình 19 Phương pháp MQL và hiệu quả với quá trình mòn dao

Hình 21 Thông số của máy VMC – 85S 40

Hình 22 Hình dạng và kết cấu mũi khoan gia công 41

Hình 23 Phôi A7075 dùng trong quá trình thí nghiệm 42

Hình 26 Kính hiển vi quét điện tử VGA SBU Easy Probe 46

Hình 27 Máy đo độ nhám SJ201 của hãng Mitutoyo 46

Hình 28 Ảnh chụp SEM lần lượt theo thứ tự các mũi khoan sử dụng

chu trình gia công trực tiếp, bẻ phoi 4 lần và 8 lần nhấc dao sau 50 lỗ khoan 48 Hình 29 Bề mặt phóng đại của các mũi khoan và giá trị độ mòn đo được

trong các chu trình gia công khác nhau 49

Biểu đồ 5 Biểu đồ so sánh giá trị sai lệch đường kính trụ của 3 chu trình 50

Biểu đồ 6 Biểu đồ so sánh giá trị sai lệch độ không trụ của 3 chu trình 50

Biểu đồ 7 Biểu đồ so sánh giá trị nhám bề mặt của 3 chu trình 51

Hình 30 Mô hình thiết kế thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu dạng Box- Behnken 57

Hình 31 Khai báo 3 nhân tố đầu vào tương ứng với các biến x1,x2,x3 58

Hình 32 Phân tích mức độ phù hợp của các mô hình bậc 2 60

Hình 33 Đồ thị thể hiện sai lệch đường kính D phụ thuộc vào PA và S 65

Hình 34.Đồ thị mối quan hệ giữa PA và S với sai lệch đường kính D 65

Bảng 10 Bảng phân tích kết quả thí nghiệm tối ưu độ không trụ v, s và 2 68

Hình 35 Đồ thị thể hiện sai lệch độ không trụ phụ thuộc vào PA và S 70

Hình 36 Đồ thị mối quan hệ giữa PA và S với độ không trụ khi V = 24,5 70

Hình 37 Đồ thị thể hiện độ nhám phụ thuộc vào V, S và PA 75

Hình 38 Đồ thị mối quan hệ giữa V,S và PA với độ nhám 75

Hình 39 Đồ thị thể hiện độ mòn dao thuộc vào V, S 80

Hình 40 Đồ thị mối quan hệ giữa V,S tới độ mòn dao 80

Hình 41 Bảng thiết lập các điều kiện tiến hành tối ưu hóa 82

Hình 42 Đồ thị tối ưu hóa đồng thời 4 yếu tố 82

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Thông số kỹ thuật cơ bản của máy VMC - 85S 40

Bảng 2.Thông số của dao khoan thép gió khi gia công hợp kim nhôm A707 41 Bảng 3 Thành phần hóa học nhôm A7075 42

Bảng 5 Bảng kế hoạch thí nghiệm với các thông số PA,S,V 58

Bảng 6 Bảng thí nghiệm kết quả tối ưu sai lệch d theo v,s và 2 59

Bảng 7 Bảng phân tích kết quả thí nghiệm tối ưu d và sai lệch độ trụ

Bảng 8 Bảng phân tích kết quả thí nghiệm tối ưu d và sai lệch độ trụ

theo v,s và 2 sau khi đã loại bỏ các thành phần không phù hợp 63

Bảng 9 Bảng thí nghiệm kết quả tối ưu sai lệch độ không trụ theo v,s và góc 2 66

Bảng 11 Bảng phân tích kết quả thí nghiệm tối ưu độ không trụ v,s

và 2 sau khi đã loại bỏ các thành phần không phù hợp 69

Bảng 12 Bảng thí nghiệm kết quả tối ưu độ nhám Rz theo v,s và góc 2 71

Bảng 13 Bảng thí nghiệm kết quả tối ưu độ mòn dao theo v,s và góc 2 77

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành công nghiệp khuôn mẫu nói riêng Đã có nhiều sản phẩm khuôn mẫu ra đời phục vụ nhu cầu thị trường như trong các ngành dược phẩm, thực phẩm, hóa mỹ phẩm, ngành nhựa… Đặc biệt trong ngành dược phẩm các khuôn làm bằng hợp kim nhôm thường chiếm một tỷ lệ rất lớn bởi vì tính không gây độc hại, có khối lượng nhẹ, dễ vệ sinh, dễ

sử dụng Tuy nhiên việc gia công vật liệu hợp kim nhôm gặp rất nhiều khó khăn bởi tính dẻo và khả năng biến dạng của chúng , một trong những nguyên công khó gia công nhất đó là nguyên công khoan lỗ sâu trên khuôn Mũi khoan xoắn từ lâu đã được ứng dụng trong gia công lỗ sâu, tuy nhiên hiệu quả mà nó mang lại chưa cao đặc biệt

là với vật liệu khó gia công như hợp kim nhôm Chính vì vậy phần lớn những lỗ sâu thường được gia công bằng phương pháp khoan nòng súng hay các phương pháp gia công tiên tiến Ở Việt Nam hiện nay công nghệ gia công khuôn mẫu phát triển rất mạnh mẽ, tuy nhiên các trang thiết bị, máy móc phục vụ (máy gia công nòng súng, laser, EDM, JSM) để gia công lỗ sâu nỗ nhỏ là khá đắt tiền, chính vì vậy nếu ta áp dụng được các trang thiết bị sẵn có (máy phay CNC, mũi khoan xoắn ) với giải pháp công nghệ hợp lý để nâng cao hiệu quả trong quá trình gia công lỗ nhỏ và sâu trên khuôn là một bài toán có ý nghĩa lớn về mặt khoa học cũng như kinh tế chính vì vậy

tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu các biện pháp công nghệ để nâng cao hiệu quả quá trình khoan lỗ sâu trên vật liệu nhôm A7075”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

* Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ xung lý thuyết cơ bản gia công lỗ sâu

* Ý nghĩa thực tiễn: Đưa ra được các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công lỗ sâu trên vật liệu A7075 từ đó áp dụng vào thực tế các cơ

sở sản xuất khuôn mẫu trong nước

3 Mục đích của nghiên cứu

Đưa ra được các giải pháp công nghệ hợp lý trong điều kiện trang thiết bị sẵn có với chi phí đầu tư là nhỏ nhất

4 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng trong nguyên công khoan lỗ sâu trên vật liệu hợp kim nhôm A7075 sử dụng mũi khoan xoắn với kích thước đường kính lỗ khoan ø6 và chiều sâu lỗ l = 140 mm

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu thực nghiệm từ đó rút ra các mô hình lý thuyết;

- Tổng hợp và phân tích số liệu thực tế;

- Xử lý các số liệu thực nghiệm có sự trợ giúp của máy tính;

- Rút ra những quy luật từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nếu có thể

6 Nội dung của luận văn

Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính gồm 3 chương và phần kết luận chung

Chương 1 Nghiên cứu bản chất của quá trình tạo phoi và những khác biệt khi gia

công vật liệu có tính dẻo như A7075 cũng như khi khoan lỗ sâu

- Nghiên cứu lý thuyết về những hiện tượng vật lý xảy ra khi khoan sâu như : Lực cắt, nhiệt cắt và mòn dao

- Chỉ ra các nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực gia công lỗ sâu

- Đưa ra hướng nghiên cứu của đề tài

Chương 2 Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công lỗ sâu trên vật

liệu dẻo;

- Nêu ra mục đích và yêu cầu đối với biện pháp kỹ thuật áp dụng;

- Đưa ra các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công

lỗ sâu trên vật liệu A7075 dựa trên các mục đích và yêu cầu kể trên và phương pháp nghiên cứu chúng

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định hiệu quả của các biện pháp công nghệ

áp dụng và ảnh hưởng của nó đến quá trình gia công lỗ sâu trên vật liệu hợp kim nhôm A7075

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG LỖ SÂU SỬ DỤNG

MŨI KHOAN XOẮN

1.1 Quá trình tạo phoi trong cắt kim loại

Quá trình cắt kim loại thực chất là dùng dụng cụ hình chêm để hớt đi một lớp kim hoại từ phôi Tác dụng lực của dụng cụ cắt tạo thành từ phôi hai bề mặt mới là bề mặt gia công và phoi Ứng suất trên vùng lưỡi cắt của dụng cụ thường rất lớn Giá trị của ứng suất pháp tuyến trên mặt trước có thể đạt đến 1600 Mpa, ứng suất tiếp tuyến thường lớn hơn khoảng hai lần ứng suất giới hạn bền của vật liệu Toàn bộ thể tích của phoi cắt ra bị biến dạng dẻo trong vùng tạo phoi (vùng biến dạng thứ nhất) và phụ thêm trên mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) Phần lớn năng lượng tiêu thụ cho các quá trình này đều biến thành nhiệt và nhiệt độ sinh ra trên bề mặt dụng cụ có thể đến

13000C [1] Theo Doyle và đồng nghiệp [3], [4], điều kiện biến dạng trong cắt kim loại

là tương đối đặc biệt bởi quá trình biến dạng dẻo của VLGC liên quan đến mức độ biến dạng lớn và tốc độ biến dạng rất cao trong một thể tích rất nhỏ Điều kiện ma sát trên mặt trước là độc đáo bởi tại lưỡi cắt phoi sạch tuyệt đối có ái lực hóa học mạnh được liên tục tạo ra và chuyển động trên mặt trước Theo Trent [1], [2] thì hiệu quả của quá trình cắt kim loại bị chi phối rất lớn bởi tương tác giữa VLGC và VLDC ở vùng gần lưỡi cắt

Hình 1 Mô hình vùng biến dạng và ma sát trong quá trình tạo phoi

Theo [1] ma sát trên các bề mặt dụng cụ có bề mặt tiếp xúc giống như trên (Hình 2), trong đó trượt tương đối kết hợp với biến dạng trong lòng vật liệu gần bề mặt

tiếp xúc chung của vật liệu có sức bền kém hơn Ở đây tác giả đã chứng minh được

mối quan hệ giữa bề mặt tiếp xúc lý thuyết A và bề mặt

B : Hằng số cho mỗi cặp vật liệu

W: Tải trọng pháp tuyến Hình 2 Vùng tiếp xúc ma

sát giữa dao và chi tiết gia công

Đặc tính tiếp xúc của cặp ma sát dao với phoi và dao với phôi là cặp ma sát của

hai bề mặt luôn mới Biết rằng trong gia công cắt gọt thì phoi và bề mặt gia công liên

tục được tạo ra và chúng trượt trên mặt trước và mặt sau của dao Do vậy dạng mặt

tiếp xúc trong vùng tạo phoi luôn ổn định

1.2 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi gia công vật liệu A7075

Khi gia gia công những vật liệu có tính dẻo cao như hợp kim nhôm A7075 quá

trình tạo phoi có những khác biệt ở cả 3 vùng trượt Miền tạo phoi khi gia công vật liệu

có tính dẻo cao lớn hơn, vùng trượt cơ sở và và vùng trượt thứ hai rộng dẫn tới chiều

dày lớp cắt tăng lên làm phoi khó bị đứt, khi cắt với vận tốc cắt nhỏ và chiều dày phoi

lớn làm phoi bị biến dạng rất lớn sinh ra phoi xếp, còn khi cắt với vận tốc lớn và chiều

dày cắt nhỏ sẽ tạo ra phoi dây [5] Phần tiếp xúc ban đầu giữa vật liệu nguyên bản của

phoi và bề mặt của dụng cụ cắt, ma sát lớn dẫn đến phoi bị bám chặt vào bề mặt của

dụng cụ, do vậy vùng dính (sticking zone) cũng rộng hơn Vùng trượt thứ 3 (teriary

zone) trong gia công vật liệu dẻo sẽ rộng hơn do mức độ biến dạng dẻo và biến dạng

đàn hồi khi cắt lớn hơn, vì vậy sau khi cắt chất lượng bề mặt thường không cao Để

giải quyết các vấn đề kể trên khi gia công vật liệu dẻo thông thường người ta cắt với

vận tốc cắt cao để ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến quá trình gia công là thấp nhất

Hình 3 Các vùng biến dạng dẻo trong quá trình cắt kim loại

1.3 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi gia công lỗ sâu

Trong mô hình gia công truyền thống như tiện và phay, phoi thường có dạng tự

do sau khi chịu tác động của các ngoại lực và di chuyển ra khỏi vùng cắt Trong khi đó với quá trình khoan, phoi dịch chuyển bên trong rãnh xoắn của mũi khoan, đây chính

là nguyên nhân làm thay đổi hình dạng phoi và lực cắt Các tác giả Stephenson, Jun Ni

và Feng Ke [6] đã chỉ ra rằng trong quá quá trình khoan lỗ sâu, chiều dày của phoi tăng dần theo chiều sâu của lỗ bên trong phôi Chính vì vậy nó tạo ra đặc tính rất quan trọng

đó là lực cắt tăng lên do hiệu ứng của chiều dày phoi

Quá trình mô hình hóa chuyển động của phoi theo truyền thống tập trung vào việc thành lập mối quan hệ duy nhất giữa phoi và mặt phẳng trượt, góc nghiêng và ma sát giữa phoi và dụng cụ Hầu hết các mô hình cắt đều dựa trên quá trình tiện khi mà ở

đó không có lực chống lại chuyển động của phoi bên cạnh lực ma sát trên bề mặt nghiêng Tuy nhiên, với quá trình khoan lỗ sâu, những phoi được hình thành trước đó luôn có xu hướng chống lại những phoi ở gần lưỡi cắt thoát ra Khi lực tác động của quá trình trở lên đáng kể, cả lực cắt và chiều dày của phoi sẽ thay đổi và mô hình lực cắt truyền thống không còn được áp dụng nữa Trong quá trình khoan, chiều dày của phoi tăng dần tới tâm mũi khoan và mỏng đi tới đường kính ngoài của mũi khoan Phoi trong quá trình khoan ban đầu dày hơn ở gần tâm mũi khoan Tuy nhiên khi chiều sâu

lỗ tăng lên, phoi sẽ trở nên dày hơn ở đường kính ngoài mũi khoan so với bên trong Chính vì vậy chiều dày trung bình của phoi cũng như lực cắt sẽ tăng lên [7] Sự thay đổi trong chiều dày của phoi nguyên nhân chính là do lực sinh ra giữa ma sát của phoi

sinh ra với rãnh xoắn của mũi khoan và sự thay đổi hình dạng của phoi trong quá trình khoan lỗ sâu Các tác giả cũng chỉ ra rằng momen xoắn tăng lên ngoài các yếu tố như

ma sát giữa phoi với cạnh viền và phoi với thành lỗ thì còn nguyên nhân khác đó chính

là sự thay đổi hình thái chiều dày của phoi

Phoi ở bên trong (phoi gần tâm mũi khoan) ở trên mặt trái và phoi ở bên ngoài (phoi gần với cạnh viền mũi khoan) ở trên mặt phải Những phoi bên trong là phoi dày hơn so với phoi bên ngoài Tuy nhiên trong quá trình khoan lỗ, phoi bên ngoài trở lên dày hơn và phoi bên trong trở lên mỏng hơn Thêm vào đó chiều dày phoi trung bình tăng lên cùng với chiều sâu của lỗ khoan [6]

Hình 4 Mô hình cắt trực giao truyền thống

1.3.1 Hình dạng phoi khi khoan

Hình dạng phoi là thông số quan trọng nhất cho quá trình khoan Quá trình khoan gọi là tốt nếu như phoi bị bẻ một cách hợp lý [8] Tuy nhiên, hầu hết phoi rất khó bị bẻ khi gia công các vật liệu dẻo, thay vào đó, chúng tạo ra phoi dây

Dựa trên nguyên lý biến dạng phoi, các phoi dây có thể được phân dạng thành dạng xoắn ốc hoặc dạng dải phoi Khi phoi mới được phát sinh, bề mặt trong của phoi ngắn hơn bề mặt ngoài của phoi do phần trong lưỡi cắt di chuyển chậm hơn phần phía ngoài lưỡi cắt (theo đường kính mũi khoan) Sự khác biệt theo chiều dài này trong phạm vi phoi làm cho cho phoi chuyển động vào tâm mũi khoan thay vì vuông góc với lưỡi cắt chính Hơn nữa, phần trung tâm rãnh xoắn làm cho phoi uốn và tạo thành dạng

xoắn ốc Tuy nhiên, khi các phoi xoắn di chuyển trong rãnh xoắn, để duy trì dạng xoắn

đó, chúng phải quay cố định quanh trục của chúng Chuyển động quay này làm cho các phoi xoắn này khó duy trì hình dạng của chúng khi khoan các lỗ sâu hơn Nếu như phoi không thể giữ được chuyển động quay đó, chúng sẽ phá vỡ hoặc bị ép di chuyển dọc theo rãnh xoắn mà không không quay, và tạo ra phoi dạng dải [7], [8]

Khi khoan, không giống như tiện, bán kính cuộn của phoi dạng xoắn ốc được xác định trước tiên bằng không gian rãnh xoắn lớn hơn mặt trước gần với lưỡi cắt chính Các thí nghiệm khác nhau đã được sử dụng để nghiên cứu các ảnh hưởng của chúng đến đường kính cuộn của phoi

Phoi dải được tạo ra khi các phoi dạng xoắn ốc đầu tiên không thể duy trì dạng ban đầu của chúng Các phoi dạng dải ít thay đổi tốc độ chuyển động theo lưỡi cắt chính so với các phoi dạng xoắn Do vậy, trong quá trình chuyển từ dạng xoắn sang dạng dải, một phần của phoi gần tâm mũi khoan (phoi phía trong) sẽ chuyển động nhanh hơn và phần phoi gần phía ngoài mũi khoan (phoi phía ngoài) sẽ chuyển động chậm hơn tốc độ ban đầu của chúng, làm cho phoi phía trong mỏng hơn và phoi phía ngoài dày hơn hình dạng ban đầu của chúng Phoi trong mỏng và yếu thường bị chia thành các dạng dích dắc không đều Sự thay đổi của tốc độ phoi ở lưỡi cắt chính còn tạo ra mô men uốn do ứng suất kéo tại phoi trong và ứng suất nén tại phoi ngoài Mô men uốn này làm cho các phoi dạng dải chụm lại phía tâm mũi khoan

Trong quá trình hình thành phoi dạng dải, phoi nên có độ bền để chống lại mô men uốn gây ra bởi ứng suất trong phạm vi giữa phoi và lực ma sát trên phoi Do vậy, một phoi quá mỏng hoặc quá dẻo sẽ bị biến dạng lại thành một phoi không đều thay vì dạng dải Một thí nghiệm khác cũng đã được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ mịn của quá trình khoan Trong thực nghiệm này, độ mịn của quá trình khoan được đánh giá bằng việc đo chiều sâu lớn nhất có thể khoan mà không

bị kẹt Thông thường, nên dùng lượng chạy dao nhỏ khi khoan lỗ sâu Tuy nhiên, kết quả của thí nghiệm chỉ ra rằng chiều sâu khoan lớn nhất không đạt được bởi lượng chạy dao nhỏ nhất (15m/v), nhưng lại đạt được ở lượng chạy dao trung bình (30-60

m/v) Khi lượng chạy dao quá nhỏ, phoi sẽ không đủ cứng để biến thành phoi dạng dải, và trở nên bị xoắn trong rãnh xoắn mũi khoan và rất dễ bị kẹt phoi [8]

1.3.2 Sự thay đổi hình dạng phoi khi khoan lỗ sâu

Trong quá trình khoan lỗ sâu, phoi thường không được duy trì một hình dạng đồng nhất khi tăng chiều sâu khoan Khi khoan, phoi ban đầu luôn ở dạng xoắn ốc Khi khoan các lỗ sau hơn, các phoi xoắn ốc sẽ quay trở lại do việc duy trì sự quay của phoi trở nên khó khăn Cuối cùng, phoi xoắn ốc bị quay trở lại cũng trở thành phoi dạng dải Trong quá trình chuyển từ phoi xoắn ốc sang phoi dải, sẽ có một số ít kiểu phoi hình dạng đứt đoạn, phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày phoi và kích thước mũi khoan

Ví dụ: Phoi có thể giảm hoàn toàn tốc độ xoay và tăng bước xoắn của phoi xoắn

ốc Khi bước xoắn này giống như bước của rãnh xoắn mũi khoan, phoi sẽ trở thành phoi dạng dải

Các phoi dạng dải hầu như được di chuyển bởi lực đẩy phát sinh bởi quá trình cắt Lực đẩy này được xác định bởi tổng lực ma sát do phoi tiếp xúc với rãnh xoắn mũi khoan mà lực này tăng với việc tăng chiều sâu khoan Khi lực ma sát lớn hơn độ bền của phoi, các phoi sẽ bị co thắt và bẻ gãy Phoi dài bị bẻ gãy có thể cản trở và ngăn chặn các phoi được tạo ra tiếp theo Do lực cản trở lớn, các phoi tiếp theo sẽ bị bẻ gãy thành các dạng ngắn, không đều nhau Sự thay đổi hình dạng phoi này có quan hệ với

sự thay đổi của mô men khoan Nó chỉ ra rằng, sự tăng mô men xoắn đáng kể luôn được kèm theo bởi sự kết thúc của phoi dải dài và chính là sự bắt đầu của phoi dạng bị biến dạng lại và bị chia ngắn

Hình 5 thể hiện hình dạng phoi khi dùng mũi khoan D3.2 mm khoan vật liệu AISI 1038 với tốc độ trục chính 3000 v/p và lượng chạy dao 150 mm/p Các phoi từ mỗi kiểu thể hiện sự thay đổi phoi từ dạng xoắn ốc sang dạng phoi dải và cuối cùng là dạng phoi từng đoạn ngắn khác nhau [8]

Hình 5 Các kích thước phoi khác nhau trong thí nghiệm

1.3.3 Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc

Hai chuyển động chính trong sự hình của thành phoi xoắn ốc là chuyển động quay quanh trục phoi và chuyển đọng dọc theo rãnh xoắn mũi khoan Hình 6 thể hiện các lực của chuyển động phoi xoắn trong rãnh xoắn mũi khoan Các lực này bao gồm lực phát sinh từ sự tạo phoi, lực ma sát từ rãnh xoắn Ff, lực ma sát từ thành lỗ Fw Lực

từ sự tạo phoi giúp cho phoi di chuyển lên theo dọc theo rãnh xoắn và quay quanh mình nó Lực này còn có xu hướng trải phoi và mở rộng bán kính cong của nó làm tăng lần lượt lực ma sát của phoi với rãnh xoắn và thành lỗ Đồng thời, lực ma sát từ rãnh xoắn Ff ngăn cản phoi di chuyển lên trên hoặc quay quanh mình nó Lực ma sát từ thành lỗ có thể được phân tích thành thành phần lực song song với trục phoi Fwf làm phoi chuyển động lên, và lực vuông góc với bề mặt rãnh xoắn Ffn làm cho phoi quay

Hình 6: Phân tích lực khi khoan có phoi dạng xoắn ốc

Thành phần lực Ffn còn có xu hướng làm giảm bán kính của phoi xoắn bởi sự xoắn của phoi và do vậy giảm ma sát với rãnh xoắn mũi khoan và thành lỗ

Hình 6 thể hiện mối quan hệ giữa lực tác dụng lên phoi, chuyển động của phoi

và thông số hình học của rãnh xoắn, với:

fd cf

cw r v v

v        (1.1)

Do đó, thành phần Fw

gồm thành phần vuông góc với rãnh xoắn mũi khoan Fwn

và thành phần song song với rãnh xoắn Fwf

với :

)cos(

sin(

sin)90

sin(

)( 2

v

(1.5) Góc  được xác định bởi tốc độ phoi di chuyển theo rãnh xoắn Với tốc độ quay mũi khoan giống nhau, góc  giảm khi v cf giảm làm giảm lực đẩy phoi Fwf

Dựa trên hình dạng của phoi xoắn, khi mỗi chiều dài phoi D chip được phát sinh bởi góc ngoài mũi khoan, phoi sẽ di chuyển lên dọc theo rãnh xoắn có bước p và do vậy v cf xấp xỉ bằng:

chip cf

D K

r v

1.3.4 Lực di chuyển phoi cho phoi dải

Ảnh hưởng của các lực động Fwf

và Fwn

được xác định bởi góc xoắn và tốc độ

di chuyển của phoi v cf Khi góc xoắn không đổi, tăng v cf sẽ làm giảm Fwf và tăng Fwn Trong sự đẩy phoi theo hình xoắn, bởi vì v cf nhỏ trong đa số các trường hợp, Fwf có thể làm cho phoi di chuyển lên trên Tuy nhiên, trong quá trình bóc tách phoi dạng dải, tốc độ di chuyển phoi v cf sẽ lớn hơn nhiều so với trường hợp phoi dạng xoắn do các phoi trải ra Tốc độ v cf của phoi dải xấp xỉ bằng tốc độ hình thành phoi ở góc ngoài của lưỡi cắt chính :

K

r

 (1.7) Trong đa số trường hợp khoan, giá trị v cf lớn làm cho thành phần lực Fwf âm, có nghĩa là nếu như phoi tiếp xúc với thành lỗ, lực ma sát sẽ ngăn cản phoi dạng dải di chuyển ra ngoài

Hình 7 thể hiện chuyển động của phoi dải trong rãnh xoắn Hình ảnh thể hiện rằng, do nội ứng suất của phoi dạng dải nên các phoi hợp lại về phía tâm mũi khoan

mà không tiếp xúc với thành lỗ Trong trường hợp này, các lực cắt chính trong quá trình tạo phoi dạng dải chính là lực đẩy từ quá trình tạo phoi và áp lực từ rãnh xoắn mũi khoan Khi lỗ khoan càng sâu, các lực này đều tăng Khi lực đẩy đạt đến một giá trị giới hạn, phoi sẽ bị có thắt và đứt gãy Các phoi dạng dải đã bị bẻ gãy sẽ dễ tạo khối trong rãnh xoắn nếu không lực đẩy từ các phoi kế tiếp Do vậy, khả năng để di chuyển phoi dạng dải phụ thuộc vào khả năng không co thắt của phoi đó Khả năng không bị

co thắt của phoi dạng dải được xác định bằng chiều dày phoi và diện tích mặt cắt ngang của rãnh xoắn Khi phoi dày và không gian rãnh xoắn nhỏ, hiện tượng co thắt phoi giảm

Hình 7 Phoi dải chuyển động trong rãnh xoắn

1.3.5 Ảnh hưởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo thành phoi xoắn ốc

Phoi xoắn ốc được xác định bằng chuyển động quay quanh trục của chúng trong quá trình di chuyển để thoát ra Chuyển động này sẽ là chuyển động tự do khi khoan lỗ nông Trong quá trình khoan, phoi sẽ tiếp xúc với rãnh xoắn và thành lỗ và làm tăng

ma sát, cản trở chuyển động của phoi Đây là trường hợp đặc biệt khi phoi bị bẻ cong bởi rãnh xoắn Khi lực cản trở đạt đến một giá trị tới hạn, phoi sẽ ngừng quay và bị bẻ gãy Do vậy, chiều dài phoi xoắn ốc phụ thuộc vào độ mịn của chuyển động phoi trong rãnh xoắn Phoi chuyển động càng tự do, phoi sẽ càng dài

Độ mịn của chuyển động phoi bị ảnh hưởng bởi góc nghiêng chính, góc xoắn và kích thước rãnh xoắn mũi khoan

Hình 8 thể hiện trạng thái ban đầu của phoi khi phoi xoắn ốc được hình thành trên lưỡi cắt chính Hình này thể hiện sự tồn tại một góc thoát phoi tự nhiên , biểu thị hướng ban đầu của phoi xoắn ốc Góc  có quan hệ với góc nghiêng chính p Khi góc nghiêng chính p tăng, góc  tăng Tuy nhiên, hướng phoi thực tế trong phạm vi rãnh xoắn bị giới hạn bởi góc xoắn  Do vậy, nếu  = , phoi sẽ tự do trong quá trình đi vào rãnh xoắn từ lưỡi cắt chính Nếu  , phoi sẽ bị bẻ cong và đi vào rãnh xoắn, gây

ra lực ma sát gây cản trở phoi Khả năng ảnh hưởng của ứng suất uốn được xác định bằng cách so sánh sự khác nhau giữa góc  và góc xoắn  bằng giá trị 

2

d

d W D

(sin)(

d

p b

d

D

W D BC

AB



Ở đây Dd là đường kính mũi khoan, Wb là đường kính lõi mũi khoan

1.3.6 Ảnh hưởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành phoi dạng dải

Mô hình chiều dài phoi dạng dải dựa trên sự khác nhau giữa góc  và xoắn  Khái niệm tương tự sẽ được ứng dụng để mô hình hóa chiều dài phoi dạng trải

Sự khác nhau giữa việc mô hình phoi dải và việc mô hình phoi xoắn ốc chính là việc xác định góc thoát phoi tự nhiên  Trong quá trình tạo phoi xoắn ốc, một góc trượt tự nhiên tồn tại khi phoi được hình thành một cách tự do Tuy nhiên, do các phoi dạng dải không phải là dạng tự nhiên nên góc trượt tự nhiên không tồn tại trong quá trình hình thành phoi dải

Hình 9 thể hiện rằng, phoi dạng dải có xu hướng tạo dòng đến tâm mũi khoan khi góc nghiêng chính nhỏ Trong mô hình này, hướng vuông góc với lưỡi cắt như là

―hướng trượt tự nhiên‖ của phoi dạng dải Góc giữa ―hướng trượt tự nhiên‖ của phoi

và trục mũi khoan được gọi là góc trượt tự nhiên của phoi dải , xấp xỉ bằng [90- ( d

/ 2)]

Hình 9 Hình dạng phoi dạng dải

Góc trượt phoi thực tế được xác định bởi rãnh xoắn mũi khoan mà rãnh xoắn này độc lập với góc nghiêng chính Từ việc phoi dải bó lại quanh đường tâm mũi khoan, bề mặt của rãnh xoắn gần với tâm mũi khoan xấp xỉ bằng góc trượt của phoi , nhận được như sau:

Từ bước rãnh xoắn mũi khoan:



tan

b

W

p (1.13) Thay phương trình (1.12) vào (1.13) thì góc xoắn mũi khoan gần với tâm mũi khoan có thể được xác định:

Mặc dù lực cắt trong quá trình gia công hợp kim nhôm tương đối thấp, tuy nhiên chúng có thể cung cấp một chỉ tiêu quan trọng cho việc so sánh các hợp kim khác nhau cùng điều kiện gia công (Zaghbani và Songmene, 2009)

Lực cắt nhạy với sự thay đổi của lượng chạy dao hơn so với tốc độ cắt Trong thực tế, tốc độ cắt xác định chiều dày phoi, là thông số chính ảnh hưởng đến lực cắt Các thử nghiệm khoan khác nhau đã được thực hiện để xác định ảnh hưởng của lượng chạy dao và các hợp kim đến lực cắt Các kết quả nhận được được thể hiện trên hình

12 Như vậy, lực cắt tăng với lượng chạy dao tăng ở những vận tốc cắt khác nhau cho tất cả các vật liệu được thử nghiệm Các kết quả này (Hình 12) xác nhận các nghiên cứu trước đó của nhiều tác giả khác nhau (M.C.Shaw, 1989; E.J A.Armarego, 1984; Subramnian và cộng sự, 1977; Balout và cộng sự, 2002) [9]

Biểu đồ 1 Mức độ ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng chạy dao đến lực cắt

1.5 Nhiệt cắt khi khoan

Quá trình cắt răng là do công sinh ra làm biến dạng vật liệu gia công và công sinh ra do ma sát

Biến dạng dẻo của vật liệu VLGC trong vùng tạo phoi, vùng biến dạng thứ hai

và tương tác ma sát giữa vật liệu gia công với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở vùng gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá hủy bộ phận đến toàn bộ khả năng làm việc của lưỡi cắt Nhiệt cắt và nhiệt độ trong dụng cụ tăng khi cắt với vận tốc cắt cao và lượng chạy dao lớn hoặc vật

liệu gia công có nhiệt độ nóng chảy cao là nguyên nhân làm giảm năng xuất cắt gọt [1]

Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98%-99% công suất cắt biến thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt, vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt AB), mặt trước (AC) và mặt sau (AD) chỉ ra trên hình vẽ Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào dao, phoi, phôi và môi trường với tỷ lệ khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường [1] Thực tế vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ lệ này, khi vận tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi

Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:

Q = Qmặt phẳng trượt + Qmặt trước + Qmặt sau (1.15) Theo định luật bảo toàn năng lượng thì nhiệt lượng này sẽ truyền vào hệ thống phoi, phôi, dao và môi trường theo công thức sau:

Q = Qphoi + Qphôi + Qdao + Qmt (1.16)

Hình 11 Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại

Trong quá trình gia công phần lớn nhiệt cắt sinh từ mặt phẳng trượt và ma sát giữa dung cụ và phoi được truyền chủ yếu vào phoi, chính vì vậy khi quá trình thoát phoi có vấn đề sẽ làm nhiệt lượng truyền vào phôi và dụng cụ, đặc biệt là trong quá trình khoan lỗ sâu Nhiệt độ cao chính là điều kiện thuận lợi để quá trình mòn dính phát triển là nguyên chủ yếu gây phá hủy đối với dụng cụ cắt làm băng thép gió, nhiệt

tăng trong quá trình khoan sâu chủ yếu là do hiện tượng phoi bị kẹt và ma sát với dụng

cụ và thành lỗ nó cũng làm cho lỗ bị biến dạng và gây sai số kích thước

Bono và Ni [10] đã đưa ra mô hình toán để xác định dòng nhiệt truyền vào phôi thông qua quá trình nghiên cứu Momen, lực cắt và thông số hình học của mũi khoan khi gia công các lỗ nông và không tưới nguội Hầu hết các mô hình dùng để khảo sát nhiệt độ khi khoan chỉ xét đến quá trình sinh nhiệt tại lưỡi cắt và nhiệt lượng sinh ra hoàn toàn và duy nhất là cơ chế loại bỏ vật liệu Tai [11] đã phát triển mô hình dòng nhiệt trong quá trình khoan lỗ sâu và chứng minh rằng dòng nhiệt sinh ra hấp thụ qua

bề mặt lỗ khoan là rất đáng kể

Mô hình này dựa trên phương pháp truyền nhiệt ngược với đầu vào Qua đó đánh giá được lượng nhiệt sinh ra tại đáy lỗ khoan (vị trí gia công) và tương tác nhiệt sinh ra giữa phoi, phôi và dụng cụ trên thành lỗ khoan

Hình 12 Mô hình tính toán nhiệt cắt khi khoan lỗ sâu

T(t) = Tb (t) + Tw (t) (1.17)

Trong đó :

T(t): Tổng nhiệt lượng sinh ra theo thời gian

Tb(t): Nhiệt lượng sinh ra tại vùng cắt đáy lỗ theo thời gian

Tw(t): Nhiệt lượng sinh ra do tương tác giữa phoi, phôi và dụng cụ theo thời gian

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và coi lượng nhiệt sinh ra do tương tác giữa phoi, phôi và dụng cụ luôn dịch chuyển cùng quá trình cắt Bruce Tai và Stepheson đã đưa ra mô hình nhiệt lượng của quá trình khoan dựa vào dữ liệu moem giữa 2 lỗ khoan, một lỗ xảy ra hiện tượng kẹt phoi và 1 lỗ không có hiện tượng này :

Hình 13 Trường nhiệt độ đo được khi gia công lỗ sâu trong 2 trường hợp

A (có hiện tượng kẹt phoi) và B (không có hiện tượng kẹt phoi)

Nhiệt lượng tăng cao của quá trình cắt trong lỗ A (có hiện tượng kẹt phoi) đã chứng tỏ nhiệt sinh ra trong quá trình khoan lỗ sâu không chỉ do quá trình loại bỏ vật liệu gia công mà còn một phần rất lớn do tương tác giữa phoi, phôi và dụng cụ Đặc biệt nhiệt lượng sẽ tăng cao khi phoi bị kẹt dẫn tới nhiệt truyền phần lớn vào phôi và dụng cụ

Nhiệt cắt khi khoan phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như : tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu khoan, đường kính mũi khoan

Thực nghiệm đưa ra công thức tính nhiệt cắt khi khoan như sau :

0,5 0,28 0,16 0

0,38

100 .s l D

1.6 Mòn dụng cụ cắt

1.6.1 Khái niệm

Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn [12] Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khí cạnh kinh tế của quá trình gia công Konig [12] cho rằng sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt như phun phủ hay các giải pháp trong bôi trơn làm mát chính là nhằm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ

Để tìm hiểu được quá trình và các cơ chế mòn diễn ra trên dụng cụ các khái niệm cơ bản về mòn sẽ được trình bày dưới đây

1.6.2 Mòn dụng cụ và cách xác định

Mòn là dạng hỏng cơ bản của dụng cụ cắt Shaw [13] đã đưa ra các công thức của Opitz về quan hệ tương đối giữa dạng mòn dụng cụ các bít với vận tốc cắt và chiều sâu cắt

Mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng mòn thường gặp nhất trong cắt kim loại các thông số hình học đặc trưng cho hai vùng mòn này được chỉ ra trên hình 16

Trent [1] kết luận rằng khi dùng dao thép gió để cắt thép và vật liệu dẻo với vận tốc cắt và lượng chạy dao cao, mòn mặt trước xuất hiện đầu tiên tại nơi có nhiệt độ cao nhất Mòn phát triển dần về phía lưỡi cắt cùng với sự phát triển của trường nhiệt độ làm vật liệu dụng cụ bị biến dạng dẻo dưới tác dụng của ứng suất tiếp và pháp sau đó

bị trượt và cuốn đi cùng với phoi Loladze [14] cho rằng cơ chế hình thành vùng mòn mặt trước của dao carbide khác so với thép gió Theo ông thì carbide có độ cứng nóng cao đến hàng nghìn độ C, hiện tượng khuyếch tán ở trạng thái rắn gây mòn rất nhanh tạo nên vùng mòn mặt trước từ vùng có nhiệt độ cao nhất trên mặt trước Tóm lại mòn mặt trước đều có nguồn gốc do nhiệt

Boothroyd [15] cho rằng mòn mặt sau xảy ra do tương tác giữa mặt sau dụng cụ với bề mặt gia công có cứng vững cao nên song song với phương của vận tốc cắt Theo Trent [1] mòn mặt sau xảy ra trong hầu hết các quá trình cắt kim loại và không đều trên suốt chiều dài lưỡi cắt Cơ chế mòn mặt sau của dụng cụ carbide ở tốc độ cắt thấp

là sự tách ra của các hạt carbides tạo nên bề mặt mòn không bằng phẳng Còn ở tốc độ cắt cao vùng mòn mặt sau nhẵn và trơn

(a) Mòn tròn mũi dao V c.t10.6 11

(b) Mòn mặt trước tại lưỡi cắt 11V c.t10.6 17

(c) Mòn mặt sau 17V c.t10.6 30

(d) Mòn mặt trước V c.t10.6 30

(e) Biến dạng dẻo lưỡi cắt V c.t10.6 30

Doyle [3] phát hiện rằng trong điều kiện hình thành lẹo dao, lượng mòn mặt sau

tỷ lệ nghịch với lượng mòn mặt trước khi mòn mặt trước xuất hiện sẽ làm tăng góc trước thực, thúc đẩy sự hình thành và ổn định của lẹo dao có tác dụng bảo vệ mặt sau khỏi bị mòn Trái lại khi mòn mặt trước không xuất hiện, dạng của lẹo dao sẽ thay đổi theo xu hướng không có tác dụng bảo vệ mặt sau khỏi mòn, dẫn đến thúc đẩy sự phát triển của mòn mặt sau

Lượng mòn mặt trước và mặt sau có thể tính toán gần đúng theo [16] như sau: Thể tích mòn mặt sau:

2

.

2b KB KF KT

(1.20) Các kích thước chỉ ra trên Hình 16 Ngoài ra, người ta còn đo khối lượng dụng

cụ và sử dụng phương pháp radiotracer để xác định mòn

Hình 14 Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và sau theo tiêu chuẩn ISO

1.6.3 Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt

Theo Shaw [13] mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuyếch tán, oxy hóa và mỏi Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt tuy nhiên tùy theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế Ngoài ra dụng cụ còn bị phá hủy

do bị mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo

Theo Loffer trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của cơ chế mòn và phá hủy ở dải vận tốc cắt thấp và trung bình của cả cắt liên tục và gián đoạn cơ chế mòn do dính và mòn do hạt mài chiếm ưu thế Khi tăng vận tốc cắt mòn do hạt mài và hóa lý trở nên chiếm ưu thế đối với cắt liên tục và tạo nên mòn mặt trước Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến sự vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục

Biểu đồ 2 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn

1.6.3.1 Mòn do dính

Theo Boothroyd [15] và Loladze [14] mòn do dính sẽ phát triển mạnh đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm trí trong khoảng thời gian cắt ngắn Hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của lớp bề mặt dụng cụ và cường độ dính của nó với vật liệu gia công được đặc trưng bởi hệ số cường độ dính ka

là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ xác định Với đa số các cặp vật liệu thì ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 19000

-13000 Bản chất phá hủy vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo lẫn dòn Loladze [14] cho rằng độ cứng của mặt dao đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần

Trent [1] đã chỉ ra rằng vật liệu dụng cụ thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt trước trong khoảng nhiệt độ tới 9000

khi mặt dưới của phoi dính chặt vào mặt trước thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trượt của các lớp phoi bị biến cứng cũng đủ để gây ra sự trượt trong các lớp vật liệu dụng cụ trong vùng mòn gây ra mòn do dính Điều này cũng phù hợp với quan điểm của Loladze [14] cho rằng mức độ biến cứng của các lớp dưới của phoi thép các bon khi biến dạng dẻo với tốc độ cao ít phụ thuộc vào nhiệt độ

Trái lại Trent [1] cho rằng trong điều kiện seizure các hạt mài riêng rẽ không đóng vai trò quan trọng đối với mòn dụng cụ Theo ông thì các hạt cabides trong thép gió bị suy yếu do hiện tượng khuyếch tán bị tách ra và kéo trên bề mặt tạo nên các rãnh mòn Tuy nhiên theo ông khi phoi trượt trên mặt trước của dụng cụ thì mòn do mài sẽ có chiếm ưu thế

1.6.3.3 Mòn do khuyếch tán

Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi dây là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuyếch tán giữa VLDC và VLGC Colwell [18] đã đưa ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ 9300C khi cắt bằng dụng cụ carbides có liên quan đến một cơ chế khác đó là hiện tượng mòn do khuyếch tán, oxy hóa hoặc sự phân rã hóa học của VLDC ở các lớp

bề mặt Theo Brierley và Siekman [19] hiện nay mòn do khuyếch tán được chấp nhận rộng rãi như một hiện tượng mòn quan trọng ở tốc độ cắt cao Họ chỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong cấu trúc tế vi của các lớp dưới của phoi thép cắt bằng dụng cụ carbide chứa nhiều các bon hơn so với phôi Điều đó chứng tỏ rằng các bon từ cacbit volfram đã hợp kim hóa hoặc khuyếch tán vào phoi làm cho tăng thành phần các bon của các lớp này

Min và Youzhen [ 20] đã phát hiện hiện tượng khuyếch tán khi gia công hợp kim titan bằng dao cacbide ở vận tốc cắt 200m/p Họ đã quan sát một lớp giàu cacsbon dọc theo mặt tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ và VLGC Dưới bề mặt của dụng cụ xuất hiện một lớp thiếu các bon

Trent [1] cho rằng do dính (seisure) hiện tượng khuyếch tán xảy ra qua mặt tiếp xúc chung của dụng cụ và VLGC là hoàn toàn có khả năng Dụng cụ bị mòn do các nguyên tử các bon và hợp kim khuyếch tán vào phoi và bị cuốn đi Khuyếch tán là một dạng của ăn mòn hóa học trên bề mặt dụng cụ có phụ thuộc vào tính linh động của các nguyên tố liên quan Tốc độ mòn do khuyếch tán không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cao

mà còn phụ thuộc vào tốc độ của dòng vật liệu gần bề mặt dụng cụ có tác dụng cuốn các nguyên tử vật liệu dụng cụ đi

Ekemar cho rằng khi cắt thép và gang tương tác giữa VLGC và VLDC có thể xảy ra Thành phần chính của các lớp phoi tiếp xúc với dụng cụ là austenite với thành phần cacsbon thấp khi nhiệt độ vùng tiếp xúc đủ cao Austenite với một số nguyên tố hợp kim của dụng cụ trong quá trình cắt Hau-Bracamonte đã phát hiện ra sự austenite hóa của thép cacsbon thấp ở nhiệt độ 7500

mặc dù quá trình tiếp xúc của phoi trên mặt trước rất ngắn

Trái với Ahman và đồng nghiệp, đã cho rằng khuyếch tán không có ảnh hưởng trực tiếp đến mòn Các kết quả tính toán và thực nghiệm của họ đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của khuyếch tán đến mòn dụng cụ thép gió ở chế độ cắt thông thường là không đáng kể

1.6.4 Sự mài mòn của mũi khoan

Trong quá trình làm việc, mũi khoan thường bị mòn ở các bộ phận sau:

- Mòn theo mặt sau và mặt trước: Xảy ra khi gia công thép

- Mòn theo cạnh viền: Xảy ra khi gia công vật liệu dẻo hoặc thép có độ bền và độ dai lớn Cạnh viền bị mòn làm tăng mômen xoắn M

- Mòn theo góc nối tiếp giữa lưỡi cắt chính với cạnh viền: Xảy ra khi gia công vật liệu gịn, vật liệu kém dẻo Dẫn tới cả P và M đều tăng

- Mòn ở lưỡi cắt ngang: Xảy ra khi lưỡi cắt ngang quá dài và nhiệt luyện mũi khoan không đạt yêu cầu Lưỡi cắt ngang bị mòn dẫn tới lực chiều trục P tăng lên rất

nhanh

Mũi khoan thường hay bị mòn ở góc nối tiếp giữa lưỡi cắt chính với cạnh viền

Đây là dạng mòn nguy hiểm nhất làm giảm tuổi thọ của mũi khoan

Hình 15 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn

Với mũi khoan thép gió, khi gia công gang, thường lấy góc nối tiếp giữa lưỡi cắt chính và cạnh viền để đo giới hạn mòn và trị số độ mòn cực đại cho phép là hs = 0,5 ÷ 1,2mm Khi gia công thép, thường lấy độ mòn theo mặt sau làm giới hạn mòn và trị số

1.7.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới

Quá trình gia công lỗ sâu ngày càng đươc phát triển với nhiều phương pháp khác

nhau như gia công lazer, điện hóa học, biến dạng dẻo…Tuy nhiên phương pháp gia công sử dụng dụng cụ cắt vẫn chiếm tỷ lệ rất lớn hơn 90% [20] Mặc dù có nhiều hạn chế tuy nhiên với công nghệ phát triển hiện nay xu hướng sử dụng mũi khoan xoắn trong gia công lỗ sâu ngày càng tăng Do đặc điểm của quá trình cắt gọt những hiện tượng vật lý xảy ra vẫn chưa được hiểu rõ [20] chính vì vậy ngày càng có nhiều các công trình nghiên cứu trên thế giới về khoan sâu sử dụng mũi khoan xoắn

Stepheson và đồng nghiệp là những người đã có rất nhiều những đóng góp trong lĩnh vực khoan lỗ sâu sử dụng mũi khoan xoắn Như nghiên cứu nhiệt cắt [10], [11], hình thái của phoi [6], [7], [8] Hầu hết các nghiên cứu đều tiến hành bằng phương pháp thực nghiện và cho thấy sự phức tạp trong quá trình biến đổi hình thái

của phoi, lực cắt, nhiệt cắt và tuổi bền của dao Bên cạnh đó các nghiên cứu của JOSEPH MAZOFF, V.V de Oliveira và D Biermann [21], [22] lại tập trung vào việc nâng cao hiệu quả của quá trình gia công thông qua thông số hình học của dụng cụ Các nghiên cứu [21], [22], [23] chứng minh rằng việc áp dụng chu trình gia công trong khoan lỗ sâu là hết sức có ý nghĩa trong việc nâng cao tuổi bền cũng như năng suất gia công Ngoài ra còn có những nghiên cứu về quá trình bôi trơn làm nguội khi gia công

lỗ sâu [24], [25], [6] đều cho thấy tầm ảnh hường rất lớn đến hiệu quả của quá trình

1.7.2 Khái quát tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam do tình hình trang thiết bị còn thiếu và việc áp dụng quá trình gia công lỗ sâu trong gia công vẫn chưa nhiều, chính vì vậy các công trình nghiên cứu về gia công lỗ sâu vẫn còn rất khiêm tốn

1.7.3 Dự kiến vấn đề nghiên cứu

Xuất phát từ vấn đề thực tiễn trong việc chế tạo khuôn mẫu khi gia công các hệ

lỗ sâu và những khó khăn khi gia công chúng trong điều kiện trang thiết bị còn hạn chế Và để đánh giá được mức độ ảnh hưởng của những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công lỗ sâu sử dụng mũi khoan xoắn tác giả đã lựa chọn đề tài :

―Những biện pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình khoan

lỗ sâu sử dụng mũi khoan xoắn trên vật liệu A7075‖

1.8 Kết luận chương 1

Chương 1 tác giả đã nghiên cứu các vấn đề sau :

- Nghiên cứu bản chất của quá trình tạo phoi và những khác biệt khi gia công vật liệu có tính dẻo như A7075 cũng như khi khoan lỗ sâu

- Nghiên cứu lý thuyết về những hiện tượng vật lý xảy ra khi khoan sâu như : Lực cắt, nhiệt cắt và mòn dao

- Chỉ ra các nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực gia công lỗ sâu

- Đưa ra hướng nghiên cứu của đề tài

Ngoài ra dòng ma sát của phoi dây lên lên thành lỗ khoan khi phoi thoát ra sẽ cào xước vào bề mặt lỗ khoan làm tăng độ nhám bề mặt lỗ khoan, phoi kẹt cùng dao bị mòn làm giảm nhanh chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác về kích thước và hình dáng hình học của lỗ

Chính vì vậy khi gia công lỗ sâu trên vật liệu A7075 hay các vật liệu có tính dẻo chính là vấn đề về tuổi bền của dao, đặc tính của phoi và việc loại bỏ phoi cũng như tính nguyên vẹn của bề mặt sau khi gia công

Hình 16 Ảnh chụp SEM mũi khoan bị phá hủy trong quá trình khoan lỗ sâu

Chính vì vậy việc nghiên cứu những thông số ảnh hưởng đến quá trình khoan sâu

là hết sức có ý nghĩa Nó giúp ta đánh giá tác động của các yếu tố trong quá trình cắt

để từ đó đưa ra được các giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện và nâng cao hiệu quả của quá trình gia công trong điều kiện kỹ thuật hiện có

2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công lỗ sâu

Hiệu quả của quá trình gia công lỗ có ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố khác nhau

Các yếu tố này tác động chủ yếu nhằm nâng cao khả năng thoát nhiệt thoát phoi trong quá trình gia công, từ đó làm giảm lực cắt, nhiệt cắt, mòn dao và nâng cao độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của quá trình gia công Trong đó những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất có thể kể đến đó là: Dụng cụ cắt, chu trình gia công, chế độ cắt và chế

độ bôi trơn làm nguội

2.2.1 Dụng cụ cắt

2.2.1.1 Thông số hình học

Stepheson đã chỉ ra rằng khi gia công lỗ sâu thông số hình học của dụng cụ cắt đóng vai trò rất quan trọng trong việc tạo và thoát phoi [6], [7], [8] Chính vì vậy khi gia công lỗ sâu và vật liệu có tính dẻo cao, mũi khoan có thông số hình học hợp lý sẽ đem lại hiệu quả nhiều hơn 3-4 lần so với khi sử dụng mũi khoan thông thường [26]

Những thông số hình học có thể kể đến đó là :

- Góc cắt: Trong việc khoan cắt nói chung, nếu lỗ khoan không quá sâu, góc cắt

tiêu chuẩn sẽ là 118o

Đối với lỗ khoan sâu, góc của cạnh cắt lớn hơn sẽ tạo ra một lõi

cắt hẹp hơn và đi qua rãnh cắt

Thông thường, người ta sử dụng góc cắt nhỏ hơn bởi vì lực ngang tại lưỡi cắt lớn hơn, dụng cụ cắt có thể khoan mà không chệch tâm sai Tuy nhiên, kích thước phoi cắt lớn hơn Khi nhiều mũi khoan cùng gia công một lỗ, mỗi dụng cụ cắt nên có một góc

nhỏ hơn một chút so với góc trước, để có thể định tâm ngoài lưỡi cắt.[26], [27]

- Góc sau: Góc sau của lưỡi cắt nên lấy từ 12 - 20o Góc sau lớn hơn được dùng cho mũi khoan rãnh thẳng và đối với mũi khoan có góc lưỡi cắt lớn hơn Góc sau nên kéo dài từ mặt trụ bên đến tâm thường lấy từ 130 – 145o

so với lưỡi cắt hoặc rãnh cắt

- Góc xoắn: Được tạo ra bởi góc xoắn ốc của mũi khoan, theo tiêu chuẩn của

mũi khoan xoắn, góc thường từ 20-25o, đối với mũi khoan xoắn ốc cao, góc xoắn từ 40-43o , đối với mũi khoan xoắn ốc thấp, góc từ 7 -15o

và đối với mũi khoan rãnh thẳng và mũi khoan nòng súng góc 0o

Đối với quá trình gia công bằng máy khoan, ta phải tăng góc xoắn của mũi khoan cùng với độ sâu của lỗ cần khoan, bắt đầu từ góc xoắn thấp 24o

cho những lỗ nông nằm trên đế mỏng cho đến góc xoắn lớn (40 – 48o

) cho những lỗ sâu vì ở những góc đó quá trình cắt tự do là rất quan trọng Thông thường khi gia công lỗ sâu và vật liệu có tính dẻo cao góc sau thường chọn từ 45 – 48o

[6], [26], [27]

Bên cạnh đó kết cấu của rãnh xoắn cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thoát phoi, với quá trình khoan lỗ sâu trên vật liệu dẻo rãnh xoắn thường có dạng parabol lõi hẹp và được đánh bóng để giảm hiện tượng phoi bị dính bết trên bề mặt rãnh xoắn, cũng như tăng khả năng thoát phoi khi khoan

- Góc nghiêng chính của mũi khoan xoắn ốc tiêu chuẩn là từ 115 – 118o Đối với khoan hợp kim nhôm góc phải là 130 – 140o

để loại bỏ phoi dễ dàng và tăng chất lượng bề mặt Tuy nhiên, mũi khoan đối với những hợp kim có hàm lượng silic cao phải có góc nghiêng chính nhỏ hơn (thấp nhất là 90o) để mũi khoan dễ đi sâu vào Để khoan những tấm mỏng, góc nghiêng chính phải rất tù để mũi khoan có thể đi hết đường của lỗ trước khi bị gãy hoàn toàn Với loại mũi khoan này có thể phải cần đến điểm phụ để giúp mũi khoan đi vào tâm

Đối với hợp kim mềm hơn và lượng chạy dao lớn hơn, phải tăng khe hở của lưỡi cắt tiêu chuẩn từ 12 – 13o

đến 17o Khe hở lưỡi nhỏ quá sẽ làm gãy mũi khoan

Lưỡi cắt của mũi khoan phải sắc và trơn, các mặt có phoi chạy qua phải được đánh bóng để giảm ma sát và việc tạo thành phoi [27]

Bên cạnh đó khi thay đổi kết cấu của phần cắt và phương pháp mài sắc cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình gia công [22], [28], [29] vì làm thay đổi thành phần lưỡi cắt ngang – yếu tố bất lợi trong quá trình gia công

Ngoài ra việc sự dụng thêm cơ cấu bẻ phoi để nâng cao hiệu quả khi gia công lỗ

sâu cũng được Sushanta K Sahu [30] nghiên cứu và chứng minh

Hình 17 Kết cấu và hiệu quả của việc sử dụng rãnh chia phoi trong khoan lỗ sâu

2.2.1.2 Vật liệu chế tạo mũi khoan

Vật liệu dụng cụ cắt có ảnh hưởng lớn đến năng suất, tuổi bền và độ chính xác khi gia công lỗ sâu [22] Dụng cụ cắt làm bằng solid carbide có tuổi bền lớn do tính cứng nóng tốt, phù hợp trong sản xuất yêu cầu năng suất và độ chính xác cao Những dụng

cụ phủ có ưu điểm lớn hơn HSS trong trường hợp gia công trực tiếp, do có lớp phủ làm tăng khả năng chịu nhiệt ,chịu mòn đồng thời giảm ma sát giữa phoi và rãnh xoắn, tuy nhiên khi sử dụng chu trình gia công bẻ phoi do có quá trình nhấc dao dẫn đến lớp phủ nhanh chóng bị phá hủy làm giảm nhanh tuổi bền của dụng cụ [22] Mũi khoan làm bằng dụng cụ HSS vẫn được sử dụng phổ biến hơn cả do dễ chế tạo và giá thành thấp, tuy nhiên do có tính cứng nóng thấp dẫn tới khi gia công lỗ sâu có tỷ lệ l/d lớn nếu không được bôi trơn làm nguội và có các biện pháp công nghệ hợp lý sẽ làm mũi khoan rất nhanh chóng bị phá hủy do mòn dính [22]

2.2.1.3 Chu trình gia công

Để nâng cao hiệu quả quá trình thoát phoi, khi gia công lỗ sâu trên các trung tâm gia công thường sử dụng chu trình khoan bẻ phoi và chu trình khoan bẻ phoi cao tốc tương ứng với lệnh G73 và G83 [23] Dưới tác dụng của chu trình khoan bẻ phoi

sẽ làm cho phoi bị chia nhỏ và được đưa ra khỏi lỗ khoan 1 cách dễ dàng sau mỗi lượt tiến dao do vậy tránh được hiện tượng kẹt phoi trong lỗ và rãnh xoắn, đồng thời tạo điều kiện cho dung dich trơn nguội đi sâu vào trong lỗ giúp bôi trơn và làm giảm nhiệt

độ tại vùng cắt Chính vì vậy lực cắt, mô men xoắn và nhiệt cắt giảm đáng kể so với quá trình gia công trực tiếp, làm tuổi bền của dao tăng lên và tránh được hiện tượng dao khoan bị gãy kẹt trong lỗ đối với những chi tiết quan trọng Tuy nhiên nhược điểm của quá trình đó là tăng thời gian chạy không do có sự nhấc dao dẫn đến năng suất giảm và chi phí gia công tăng (chi phí máy trên những trung tâm gia công hiện đại cao) Bên cạnh đó độ chính xác và chất lượng của lỗ không cao như khi gia công bằng dao solid carbide do dao chuyển động tịnh tiến lên xuống nhiều lần khi gia công cùng với hiện tượng dao bị đảo dẫn đến lỗ bị loe rộng và không tròn, cùng với đó là sự giảm chất lượng bề mặt do ma sát giữa dao, phoi và phôi trong mỗi chu trình gia công Chính vì vậy việc lựa chọn chu trình gia công bẻ phoi và số lần nhấc dao trong chu trình phụ thuộc nhiều vào chiều sâu của lỗ, vật liệu dụng cụ và chế độ công nghệ khi gia công Thông thường được áp dụng nhiều khi gia công sử dụng dụng cụ cắt làm bằng HSS không phun phủ và áp dụng tưới tràn hay bôi trơn làm nguội tối thiểu [22]