Cơ Sở Vật Lý Của Quá Trình Cắt Kim Loại

Yêu cầu: Nắm vững bản chất vật lý của các quá trình: Tạo phoi, nhiệt cắt, biến dạng, rung động, mòn dao.... Sự hình thành và biến dạng của phoi  3.1.1.Qúa trình hình thành phoi:  Khi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Yêu cầu:

Nắm vững bản chất vật lý của các quá trình: Tạo phoi, nhiệt cắt, biến dạng, rung động, mòn dao và các nhân tố ảnh h ởng đến các hiện t ợng ấy trên máy tiện.

SLIDE 1

 3.1 Sự hình thành và biến dạng của phoi

 3.1.1.Qúa trình hình thành phoi:

 Khi cắt, lực tác dụng phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu đ ợc gia công Lớp kim loại bị cắt bỏ đi trong một lần cắt gọi là phoi Khi bắt đầu cắt d ới tác dụng của lực P dao nén vật liệu gia công theo mặt tr ớc, trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng

đàn hồi Biến dạng này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo Và sau đó một lớp phoi có chiều dày a1 đ ợc hinh thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dầy a Trong quá trinh cắt phoi di chuyển dọc theo mặt tr ớc của dao.

 Việc nghiên cứu kim loại trong khu vực tạo phoi đã chứng tỏ rằng tr ớc khi biến thành phoi lớp kim loaị bị cắt

đã trải qua một giai đoạn biến dạng ác liệt Nh vậy giữa phôi

và phoi có một miền trung gian gọi là miền tạo phoi.



Hinh 3.1 MiÒn t¹o phoi AOF

 Miền tạo phoi giới hạn bởi đ ờng OA, dọc theo đó phát sinh những biến dạng đầu tiên và đ ờng OF là đ ờng kết thúc biến dạng dẻo OA, OB, OC, OD, OE là các mặt tr ợt, kim loại

bị tr ợt theo các mặt đó Trong quá trình cắt miền tạo phoi AOF

di chuyển cùng với dao.

 Nh vậy trong quá trình cắt phôi bị biến dạng mạnh mẽ và chuyển thành phoi Mặt khác khi di chuyển chúng còn bị biến dạng thêm do ma sát với mặt tr ớc Lại vì biến dạng có tính lan truyền nên phần kim loại phía d ới đ ờng ON cũng bị biến dạng dẻo.

 Có nhiều nhân tố ảnh h ởng đến miền tạo phoi Nh ng ng ời

ta thấy rằng ảnh h ởng của vận tốc cắt là lớn nhất Thật vậy vận tốc cắt tăng lên thì diện tích miền tạo phoi co hẹp lại Khi vận tốc rất lớn có thể coi miền tạo phoi là đ ờng OF Mặt OF gọi là mặt tr ợt quy ớc, góc θ = gọi là góc tr ợt.

 3.1.2 Các dạng phoi :

Tuỳ theo vật liệu gia công, thông số hình học của dao và chế độ cắt phoi cắt ra có thể có nhiều hình dạng khác nhau

Hinh 3.2 Các dạng phoi

 a/ Phoi dây:

 - Phoi dây thu đ ợc khi gia công vật liệu dẻo với tốc độ cắt cao, chiều dày cắt bé Phoi kéo dài liên tục mặt kề với mặt tr ớc của dao rất bóng, mặt đối diện hơi bị gợn, chất l ợng bề mặt gia công cao

độ cứng cao hơn vật liệu gia công từ 2-3 lần chứng tỏ nó bị biến dạng rất lớn và đ ợc hoá bền ở mức độ cao Khi cắt ra phoi xếp có hiện t ợng rung động và chất l ợng bề mặt gia công không cao.

c/ Phoi vụn :

- Khi gia công vật liệu dòn ta thu đ ợc phoi vụn Dao không cắt mà

d ờng nh dứt nó lên, phoi vụn rất cứng chứng tỏ nó cũng bị biến dạng nhiều Khi cắt ra phoi vụn có hiện t ợng rung động, nhiệt cắt cao nên chất l ợng bề mặt gia công rất thấp, dao bị mòn rất nhanh Chú ý:

Điều đó chứng tỏ khi dao quá mòn điều kiện cắt rất xấu, phoi vụn

bị biến dạng ác liệt.

Nh vậy qua hình dạng các loại phoi ng ời ta cũng sơ bộ

đánh giá đ ợc điều kiện gia công thuận lợi hay khó khăn.

Hinh 3.3: C¸c d¹ng phoi chñ yÕu: a- Phoi vôn; b-Phoi xÕp; c- Phoi d©y

 3.2.Hiện t ợng lẹo dao

 3.2.1.Hiện t ợng (Phenomenon):

 Trong quá trình cắt ra phoi dây trên mặt tr ớc của dao kề ngay l ỡi cắt th ờng xuất hiện những lớp kim loại có cấu trúc kim t ơng khác hẳn với vật liệu gia công và vật liệu làm dao Lớp kim loại này th ờng bám khá chắc vào l ỡi cắt của dao, chúng đ ợc gọi là lẹo dao Lẹo dao đặc tr ng bởi hai yếu tố: Chiều cao lẹo dao và góc tr ớc của lẹo dao Độ cứng của lẹo dao cao cao hơn độ cứng của kim loại nền 2,5 ữ 3,5 lần do vậy lẹo dao đóng vai trò nh 1 l ỡi cắt.

 3.2.2 Phân loại( Classification):

 Có hai loại lẹo dao :

 - Lẹo dao ổn định: Nằm dọc theo l ỡi cắt trong suốt quá trình cắt, th ờng xuất hiện khi cắt thép với chiều dày cắt bé.

- Lẹo dao chu kỳ : Gồm hai lớp, lớp nằm sát với mặt tr ớc là lẹo dao

ổn định Trên nền đó hình thành lớp thứ hai Lớp này lớn lên rồi bong ra nhiều lần trong một đơn vị thời gian gây rung động và làm

Hinh 3.5 Các loại lẹo dao

 3.2.3 Giải thích ( Explanation) :

 Do chịu áp lực rất lớn và nhiệt độ cao nên lớp kim loại nằm kề với mặt tr ớc chịu biến dạng rất lớn Mặt khác do ma sát với mặt tr ớc lớp kim loại ấy di chuyển chậm và trong điều kiện nào đó chúng nằm lại mặt tr ớc và tạo thành lẹo dao Điều kiện hình thành và mất đi của lẹo dao có thể giải thích bằng quan hệ sau:

 ≥ +

 Với T là lực ma sát giữa phoi và mặt tr ớc

 Q là lực liên kết trong nội bộ lớp kim loại bị cắt

Hinh 3.6 Giai thÝch hiÖn t îng lÑo dao

 3.2.4.ảnh h ởng của các yếu tố đến lẹo dao:

 a, Tốc độ cắt: Là yếu tố ảnh h ởng nhiều nhất đến lẹo dao

 ở khu vực I tốc độ cắt thấp, biến dạng ít, không có lẹo dao

 ở khu vực II tốc độ cắt tăng, biến dạng tăng, ma sát tăng

chiều cao lẹo dao tăng dần đạt mức lớn nhất.

 ở khu vực III ma sát giảm dần nên chiều cao lẹo dao giảm

 ở khu vực IV tốc độ rất lớn, biến dạng nhỏ, không có lẹo dao

Hinh 3.8 anh h ởng của tốc độ cắt đến lẹo dao

 3.2.5 Tác dụng của lẹo dao:

 - Khi gia công thô lẹo dao có lợi vì nó làm tăng góc tr ớc khiến cho quá trình tạo phoi dễ dàng Lẹo dao còn thay thế l ỡi cắt khi làm việc, bảo vệ l ỡi cắt, làm l ỡi cắt đỡ bị mài mòn.

 - Khi gia công tinh nói chung lẹo dao không có lợi vì nó sinh ra, mất đi liên tục gây rung động Mặt khác lẹo dao bong

ra có thể bám dính vào bề mặt đã gia công khiến độ nhẵn của

bề mặt gia công giảm đi.

 3.2.6 Các biện pháp khắc phục:

 Để khắc phục hiện t ợng lẹo dao ng ời ta làm giảm ma sát trên mặt tr ớc, tăng góc tr ớc, dùng dung dịch trơn nguội, mài bóng l

ỡi cắt

 3.3 Hiện t ợng co rút phoi

 3.3.1.Hiện t ợng:

 Khi cắt kim loại dẻo ng ời ta thấy rõ hiện t ợng: chiều dài lớp phoi cắt ra L f ngắn hơn quãng đ ờng mà dao phải đi L dọc theo bề mặt gia công, chiều dày của phoi a f lớn hơn chiều dày cắt a còn chiều rộng phoi b f thay đổi không đáng kể Đó là hiện t ợng co rút phoi

 Ng ời ta đánh giá hiện t ợng trên qua hệ số co rút phoi K

 b, Ph ơng pháp cân:

 Cũng chọn phoi dài, thẳng đo chiều dài và cân khối l ợng của nó Coi thể tích của phoi tr ớc và sau khi cắt không đổi, ta có:

F L

Q

f .

1000

ξ

Hinh 3.9 HiÖn t îng co rót phoi

 3.3.3.Các nhân tố ảnh h ởng đến hệ số co rút phoi:

 a, Vật liệu gia công:

 ảnh h ởng lớn đến hệ số co rút phoi Khi giữ nguyên các

điều kiện cắt khác thì vật liệu càng dẻo hệ số co rút phoi K càng lớn Vì vật liệu càng dẻo thì sự liên kết giữa các phân tử càng yếu khiến cho sự sắp xếp của mạng tinh thể kim loại càng

dễ bị phá huỷ kim loại càng dễ bị biến dạng.

 Trong tam gi¸c OCF cã : CF = OF sin θ = a

 Trong tam gi¸c OBF cã : BF = OF cos ( θ - γ ) = a f

 Đoạn BC, tiếp tục tăng tốc độ cắt ứng với đoạn chiều cao lẹo dao giảm làm góc cắt tăng lên, biến dạng tăng làm cho

 d, ảnh h ởng của chiều dày cắt: Ta thấy chiều dày cắt tăng thì

hệ số co rút phoi giảm Thật vậy vì sự biến dạng của lớp phoi dọc theo chiều dày không đồng đều, lớp phoi càng gần mặt tr

ớc của dao chịu biến dạng càng lớn nên khi giữ nguyên các

điều kiện khác phoi mỏng có hệ số co rút phoi lớn hơn phoi dày

Hinh 3.12

Anh h ởng của chiều dày cắt

a đến hệ số co rút phoi K

e, Anh h ởng của dung dịch trơn nguội:

Dung dịch trơn nguội làm giảm nhiệt cắt, giảm biến dạng, giảm ma sát nên làm giảm hệ số co rút phoi K

 3.4 Hiện t ợng nhiệt cắt

 Trong quá trình cắt do chịu áp lực và ma sát rất lớn nên phát sinh một l ợng nhiệt đáng kể Nhiệt cắt ảnh h ởng tới:Sự mài mòn, tuổi bền của dao, chất l ợng bề mặt gia công Vì vậy phải nắm vững các quy luật về nhiệt.

 3.4.1 Nguồn gốc phát sinh nhiệt :

 Trong quá trình cắt nhiệt phát sinh do các nguyên nhân sau:

 - Công của lực ma sát trong giữa các phần tử của kim loại trong quá trình biến dạng A 1 .

 - Công của lực ma sát giữa phoi và mặt tr ớc của dao A 2

 - Công của lực ma sát giữa chi tiết gia công và mặt sau dao A 3

 - Công dứt phoi tạo nên các bề mặt mới A 4

 Nếu cho rằng toàn bộ công Cơ học đều biến thành nhiệt thì:

=

=

∑

 3.4.2 Sự phân bố nhiệt:

 Trong quá trình cắt nhiệt tập trung ở 3 khu vực sau đây:

 - Khu vực tr ợt của các yếu tố phoi Nhiệt l ợng sinh ra trong khu vực này chủ yếu truyền vào phoi.

 - Khu vực tiếp xúc của phoi với mặt tr ớc Nhiệt l ợng

sinh ra trong khu vực này cũng chủ yếu truyền vào phoi

 - Khu vực tiếp xúc của chi tiết gia công với mặt sau của dao Nh vậy:

 - Nhiệt sinh ra truyền vào phoi: khoảng ( 70- 80 )%

 - Truyền vào dao khoảng 15%,

 - Truyền vào chi tiết gia công khoảng 5%

 - Truyền vào môi tr ờng khoảng 1%

 Ta thấy l ợng nhiệt truyền vào dao không lớn nh ng khối l ợng của dao t ơng đối nhỏ nên nhiệt độ trong dao cũng rất lớn.

Trong đó : ΣA = A1 + A2 + A3 + A4

R là đ ơng l ợng giữa nhiệt và công ( R = 127 kGm / kcal )

H×nh 3.13 Sù ph©n bè nhiÖt c¾t

3.4.3.Nh÷ng yÕu tè ¶nh h ëng tíi nhiÖt c¾t :

 c, ¶nh h ëng cña th«ng sè h×nh häc cña dao:

 NÕu gãc γ hoÆc gãc α t¨ng lªn ma s¸t gi¶m, biÕn d¹ng gi¶m, nhiÖt c¾t sÏ gi¶m.



 3.4.4.Ph ơng pháp đo nhiệt cắt :

 Có nhiều ph ơng pháp đo nhiệt cắt nh ng th ờng dùng theo sơ

đồ đo sau đây:

 Hình 3.15 Đo nhiệt cắt theo ph ơng pháp dùng cặp ngẫu nhiệt

 Trong quá trình cắt nơi tiếp xúc giữa dao và phoi bị nung nóng sẽ phát sinh dòng điện Số đo của điện kế sẽ cho biết chính xác

nhiệt độ ở vùng cắt Chú ý trong quá trình thí nghiệm vật liệu gia công và dao phải đ ợc cách điện với mâm cặp và bàn máy

 3.5 Hiện t ợng mài mòn dao ( Tool wear )

 Mài mòn dao là một quá trình phức tạp kèm theo nhiều hiện t ợng lý hoá ở nơi tiếp xúc của dụng cụ cắt, phoi và vật liệu gia công Khi bị mài mòn hình dáng của dao biến đổi do

đó trị số của biến dạng, nhiệt, lực cắt đều thay đổi.

 Sự mài mòn của dao xẩy ra khốc liệt hơn nhiều so với các chi tiết máy khác Thật vậy khi cắt áp lực lớn hơn từ ( 300 ữ

400 ) lần, nhiệt độ làm việc cao hơn từ ( 15 ữ 20 ) lần Mặt khác mòn theo mặt sau xảy ra ở một diện tích rất bé khiến cho

áp lực và nhiệt độ còn cao hơn, sự mòn còn mạnh mẽ hơn.

Hinh 3.16 Các dạng mòn dao

 3.5.1.Các dạng mòn dao :

 a, Mài mòn theo mặt sau:

 Mài mòn theo mặt sau th ờng xảy ra khi gia công kim loại với chiều dày cắt a bé ( a < 0,1 mm ) hoặc khi gia công vật liệu dòn Yếu tố đặc tr ng cho độ mòn mặt sau của dao là chiều cao mòn dao h s

 b, Mài mòn theo mặt tr ớc:

 Mài mòn theo mặt tr ớc th ờng gặp khi gia công vật liệu dẻo với chiều dày cắt t ơng đối lớn ( a > 0,6 mm ) hoặc khi cắt

có lẹo dao Lúc đó trên mặt tr ớc của dao sẽ hình thành rãnh

l ỡi liềm cách l ỡi cắt một khoảng nào đó và ngày càng sâu và rộng ra Mòn mặt tr ớc đ ợc đánh giá bằng Chiều sâu mòn mặt

tr ớc : h f

 c, Mài mòn cả mặt tr ớc và mặt sau:

 Khi gia công vật liệu dẻo với: a = ( 0,1- 0,6 )mm dao mòn cả mặt tr ớc và mặt sau Lúc đó chiều rộng cạnh vát của dao giảm cả từ hai phía nên tuổi bền của l ỡi cắt giảm nhanh

 d, Làm tròn bán kính l ỡi cắt:

 Khi gia công vật liệu dẻo có tính dẫn nhiệt kém Do nhiệt cắt cao l ỡi cắt giảm nhanh độ cứng và mềm ra, cùn nhanh.

 Chú ý: Mài mòn theo mặt sau là dạng mài mòn chủ yếu

và dễ đo nhất Vì vậy th ờng dùng chiều cao mòn mặt sau h s làm tiêu chuẩn đánh giá độ mòn

 3.5.2 Đ ờng cong mòn:

 Đoạn OA: Dao bắt đầu làm việc, các nhấp nhô để lại khi chế tao bị san bằng nhanh chóng, dao mòn nhanh.

 Đoạn AB là giai đoạn mòn ổn định

 Đoạn BC : ở điểm B dao mòn đã nhiều, lực cắt tăng, biến dạng tăng, nhiệt cắt tăng nếu tiếp tục cắt dao mòn rất nhanh.

 3.5.3.Chỉ tiêu đánh giá độ mòn:

 Nói chung th ờng lấy độ mòn mặt sau h S làm tiêu chuẩn đánh giá độ mòn Tuỳ theo loại dao, tuỳ theo vật liệu làm dao mà chọn cho phù hợp Có thể chọn trong sổ tay Cơ khí





Hinh 3.19 đ ờng cong mòn

3.5.4.C¸c biÖn ph¸p kh¾c phôc sù mßn dao:

Thùc ra kh«ng thÓ kh¾c phôc hÕt ® îc sù mßn dao mµ chØ cã thÓ h¹n chÕ ® îc nã cµng nhiÒu cµng tèt

Ng êi ta khuyªn nªn tiÕn hµnh c¸c c«ng viÖc sau:

 3.6 Hiện t ợng rung động khi cắt

 3.6.1.Khái niệm.

 Muốn đạt đ ợc độ chính xác, độ bóng cao và nâng cao đ ợc tuổi bền của dụng cụ thì hệ thống máy-dao-gá-chi tiết trong quá trình gia công không đ ợc rung động.

 Mặt khác muốn nâng cao năng suất gia công ng ời ta th ờng tăng tốc độ cắt mà khi tăng tốc độ cắt thì rung động th ờng tăng lên

 Trong quá trình cắt kim loại có hai loại rung động sau:

 a, Rung động c ỡng bức: sinh ra do những nguyên nhân sau:

 - Do sự không cân bằng của các bộ phận máy-dao-gá-chi tiết gia công

 - Do hệ thống truyền động của máy có sự va đập tuần hoàn

 - Do vật cắt không tròn, l ợng d không đều

 - Do dao chuyển động không cân bằng.

 Những nguyên nhân gây ra rung động c ỡng bức dễ thấy nên dễ tìm cách hạn chế và khắc phục.

 b, Tự rung:

 Tự rung là những rung động mà lực gây ra và duy trì nó đ ợc tạo thành và điều khiển bởi chính bản thân các rung động đó

 Tự rung có thể sinh ra do các nguyên nhân sau đây:

 - Do sự thay đổi của lực ma sát ở mặt tr ớc và sau của dao trong quá trình cắt.

 - Do sự thay đổi tính dẻo của vật liệu gia công khi lực cắt thay đổi.

 - Do sự sinh ra và mất đi của lẹo dao.

 - Do sự biến dạng đàn hồi của dao - chi tiết.

3.6.2.Những nhân tố ảnh h ởng:

 Hình 3.21 ảnh h ởng của tốc độ cắt đến tần số rung động

 Hình 3.22 ảnh h ởng của chiều sâu cắt đến tần số rung động

a, Tốc độ cắt:

Tăng tốc độ cắt thì biên độ dao động tăng, đến một giá trị nào đó lẹo dao biến mất quá trình cắt ổn định, biên độ dao động lại giảm

Ngoài ra còn có thể giảm rung động bằng các thiết bị chuyên dùng.

3.7 Độ nhẵn của lớp bề mặt và hiện t ợng cứng nguội khi cắt

 3.7.1.Khái niệm:

Chất l ợng của một chi tiết gia công đ ợc đánh giá bằng

những tiêu chuẩn về hình dáng hình học thực tế của bề mặt gia công, độ chính xác kích th ớc và tính chất cơ lý của lớp bề mặt.

 Thực tế chứng tỏ độ nhấp nhô và đặc tính cơ lý của lớp bề mặt quyết định tính chất sử dụng của chi tiết vì những h hỏng th ờng bắt đầu từ lớp bề mặt và do đó phụ thuộc vào sự cắt gọt kim loại của những nguyên công cuối.

 3.7.2.Những nhân tố ảnh h ởng đến độ nhẵn bóng bề mặt:

 Khi S > 2,5( mm/vg) và t > S nghĩa là khi đó những nhân

tố hình học của dao có ảnh h ởng chủ yếu đến độ nhấp nhô bề mặt thì có thể dùng các công thức ở Ch ơng 2 để tính chiều cao nhấp nhô Ngoài ra cần chú ý đến các yếu tố sau:

 a, Tốc độ cắt: Là nhân tố quan trọng nhất, ảnh h ởng lớn nhất

đến độ nhẵn bóng bề mặt của chi tiết gia công

Khi tăng tốc độ cắt thì lực cắt tăng, biến dạng tăng nên chiều cao nhấp nhô tăng Nh ng khi tốc độ cắt v ợt quá giới hạn sinh lẹo dao thì quá trình cắt ổn định, độ nhẵn tăng.

b, Dung dịch trơn nguội: Có tác dụng giảm nhiệt cắt, giảm biến dạng nên nếu sử dụng phù hợp có thể làm cho độ nhẵn bóng tăng lên một cấp

nên cũng làm cho độ nhẵn bóng tăng lên

3.7.3.Những nhân tố ảnh h ởng đến tính chất cơ lý của lớp bề mặt:

 a, Tính chất cơ lý của lớp bề mặt đ ợc đánh giá bởi các chỉ tiêu:

 Mức độ cứng nguội và chiều sâu của lớp cứng nguội Trong đó:

 - Mức độ cứng nguội đ ợc tính: H = ( à m )

 Với : Hn - là độ cứng tế vi của lớp cứng nguội

 Ho - là độ cứng tế vi của vật liệu ban đầu

Ho

Ho

H n −

∆