NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA DAO TIỆN ĐẾN LỰC CẮT VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG GIA CÔNG TỐC ĐỘ CAO THÉP HỢP KIM SKD11 Nguyễn Đức Nam 1 , Hoàng Công Học 1 , Võ Huy Lâm 2 1 K
Trang 1NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA DAO TIỆN ĐẾN LỰC CẮT VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG GIA CÔNG
TỐC ĐỘ CAO THÉP HỢP KIM SKD11 Nguyễn Đức Nam 1 , Hoàng Công Học 1 , Võ Huy Lâm 2
1 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
2 Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
TÓM TẮT:
Cải tiến công nghệ, nâng cao năng suất và
tuổi thọ dụng cụ cắt là yêu cầu cấp thiết trong
công nghiệp chế tạo Để đáp ứng vấn đề đó thì
gia công tốc độ cao ngày càng trở nên quan trọng
và được ứng dụng trong quá trình gia công cắt gọt
kim loại, đặc biệt là đối với các chi tiết thép hợp
kim có tính dẫn nhiệt thấp Hiệu quả của quá trình
gia công tốc độ cao là lượng vật liệu được cắt gọt
không những tăng lên mà chất lượng của sản
phẩm được cải thiện đáng kể, thời gian gia công
được rút ngắn Tuy nhiên, cơ học của quá trình
gia công rất phức tạp và khó kiểm tra bằng quá
trình thực nghiệm Trong gia công tốc độ cao thì
sự phân bố nhiệt độ và lực cắt trong quá trình gia
công có sự khác biệt so với gia công truyền thống
Sự phân bố nhiệt độ và lực cắt trong vùng gia công là rất phức tạp và quyết định đến chất lượng
bề mặt gia công và tuổi thọ của dụng cụ cắt Do
đó, nghiên cứu mô phỏng sự phân bố nhiệt độ và lực cắt trong gia công tốc độ cao là quan trọng Các kết quả mô phỏng được thực hiện với các thông số hình học khác nhau của dụng cụ cắt Các kết quả mô phỏng cho thấy được quá trình hình thành phoi và sự phân bố nhiệt độ với các góc trước khác nhau của dụng cụ cắt Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, với lưỡi cắt insert có góc trước γ = -6° thì nhiệt độ lớn nhất trong vùng gia
công có thể đạt đến 13000 C và với lưỡi cắt có góc trước γ = 6° thì nhiệt độ lớn nhất là 11800
C
Từ khóa: thép SKD11, gia công tốc độ cao, phân tích phần tử hữu hạn, nhiệt độ, lực cắt
1 GIỚI THIỆU
Ngày nay, vật liệu làm khuôn và độ chính xác
gia công được yêu cầu rất cao trong kỹ thuật
khuôn mẫu Vật liệu dùng trong công nghiệp
khuôn mẫu thường phải có tính năng cao như
khả năng chịu nhiệt cao, chịu tải trọng lớn và độ
cứng cao Bên cạnh đó, tiêu chuẩn quan trọng là
chất lượng của khuôn dựa trên độ chính xác kích
thước, hình dáng và chất lượng bề mặt Nếu chất
lượng sau gia công kém và không đạt yêu cầu thì
cần phải qua công đoạn hoàn chỉnh bằng tay
Công đoạn này đòi hỏi lượng thời gian gia công
tương đối lớn và năng suất thấp Một trong những
mục tiêu chính của công nghiệp khuôn mẫu là
giảm thiểu hoặc loại bỏ công đoạn đánh bóng
bằng tay và do đó cải thiện được chất lượng,
giảm chi phí sản xuất và thời gian Vì vậy, để
giảm thiểu chi phí và thời gian gia công thì gia
công tốc độ cao là nhu cầu cấp bách và cần thiết
hiện nay
Trong những năm gần đây, các phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dựa trên công thức Euler
và công thức Lagrange đã được phát triển để phân tích mô phỏng quá trình gia công Do sự phát triển của công nghệ máy tính, các nhà nghiên cứu đã chú ý nhiều hơn đến các mô hình
số, đặc biệt là đối với FEM Công thức Euler đã được áp dụng trong nhiều mô hình FEM được sử dụng để mô phỏng quá trình cắt gọt Tuy nhiên, việc sử dụng công thức Lagrange đã được phổ biến rộng rãi hơn vì khả năng của nó để mô phỏng sự hình thành phoi từ giai đoạn đầu tiên đến trạng thái ổn định [1-4] Mặc dù công nghệ gia công tốc độ cao đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như ngành công nghiệp hàng không, ô tô và công nghiệp gia công chính xác nhưng ứng dụng của nó trên các vật liệu khó cắt như hợp kim vẫn còn mới và các cơ chế phức tạp liên quan Trong việc cắt tốc độ cao các thép hợp kim, chẳng hạn như sự hình thành
Trang 2vùng gia công chưa được biết rõ [5] Nhiều nhà
nghiên cứu đã tập trung vào mô phỏng quá trình
gia công để giải quyết nhiều vấn đề phức tạp phát
sinh trong quá trình gia công thép hợp kim
[6-12] Tuy nhiên, nghiên cứu mô phỏng quá trình
hình thành phoi và sự phân bố trường nhiệt độ,
lực cắt trong gia công tốc độ cao thép hợp kim
SKD11 vẫn còn hạn chế
Trong bài báo này, mô hình phân tích phần tử
hữu hạn được thiết lập để nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số hình học của dao đến sự hình
thành phoi và sự phân bố nhiệt độ, lực cắt trong gia công tốc độ cao thép SKD11
2 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
Trong quá trình gia công, mối quan hệ giữa vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao và thông số hình học của dụng cụ cắt ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công và tuổi thọ của dụng cụ cắt (Hình 1) Quá trình gia công này diễn
ra tương đối phức tạp và khó nhận biết chính xác bằng thực nghiệm
Hình 1 Sự hình thành phoi trong gia công tiện
2.1 Đặc tính của vật liệu SKD11 và lƣỡi cắt
carbit vonfram
Thép hợp kim SKD11 được ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp sản xuất khuôn mẫu vì độ
cứng khác nhau của nó Đặc tính của vật liệu
thép SKD 11 như ở Bảng 1 và lưỡi cắt carbit
vonfram như Bảng 2
Bảng 1 Đặc tính vật liệu SKD11
Thông số trị Giá
Hệ số dẫn nhiệt (w/m.K) 20.5 Nhiệt độ nóng chảy (0
Bảng 2 Đặc tính vật liệu lưỡi cắt insert carbit
vonfram
Thông số Giá trị
Modul đàn hồi (GPa) 534
Tỷ trọng (kg/m3
Hệ số dẫn nhiệt (w/m.K) 50
A
O F B
E D
C
tmax
tn
f
A
A
B
B
tn B
C
v
Dao
f
Phoi
tn
tmi
n
A
tmi
a)
b)
c)
d)
t mi
B-B
A-A
Chi tiết
ɣ
Trang 32.2 Mô hình phần tử hữu hạn và điều kiện
biên
Trong nghiên cứu này, phần trăm công suất
cắt được chuyển thành nhiệt được giả định là
bằng 90% và phần công việc ma sát được
chuyển thành nhiệt được lấy là 1.0 Gia công
được thực hiện ở nhiệt độ môi trường xung
quanh giả định nhiệt độ ban đầu của cả hai phôi
và công cụ là 20°C Đối lưu nhiệt với môi trường
xung quanh của các bề mặt không tiếp xúc của
dụng cụ cắt và phôi được bỏ qua
Trong quá trình mô phỏng, dụng cụ cắt được
chọn có thông số góc trước γ thay đổi từ 60đến
-60, góc sau α của dao được chọn là 30
và góc
mũi dao r được chọn là 0,2 mm Điều kiện biên
của quá trình mô phỏng được thiết lập như sau:
các cạnh biên của chi tiết gia công được thiết lập
ngàm cứng theo 3 phương tọa độ; trong khi đó
vận tốc cắt của lưỡi cắt theo phương x được
chọn theo thông số gia công và vận tốc cắt theo
phương y thì bằng 0 Mô hình mô phỏng và điều
kiện biên được thể hiện ở Hình 2
Trong mô hình mô phỏng, chiều sâu cắt được
thiết lập là 3.5 mm và vận tốc cắt là 1500 m/phút
Chi tiết gia công được chia lưới là 8000 phần tử
và lưỡi cắt insert được giả thiết là cứng tuyệt đối
với số phần tử chia lưới là 207 phần tử
Hình 2 Mô hình mô phỏng
3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Hình dạng phoi ứng với các thông số hình học của lƣỡi cắt insert
Sự hình thành phoi là một quá trình diễn ra rất nhanh chóng với tốc độ cắt cao Hình 3 cho thấy quá trình của sự hình thành phoi trong mô phỏng với lưỡi cắt insert có góc trước γ = 60 Sự khác biệt về hình học của các giai đoạn gia công vật liệu như giai đoạn ban đầu, giai đoạn giữa và giai đoạn cắt ổn định Ở giai đoạn đầu của quá trình gia công, ứng suất chảy dẻo tương đối nhỏ và tập trung ở đầu của dụng cụ cắt và bề mặt gia công, như thể hiện trong Hình 3 (a) Khi quá trình cắt tiếp tục cho đến khi dải phoi cắt được hình thành, ứng suất chảy dẻo tăng lên và lan ra ở một khu vực hẹp, như trong Hình 3 (b) Hình 3 (c) cho thấy các ứng suất chảy dẻo cao ở các thời điểm khác nhau của quá trình cắt xảy ra dọc theo giao diện của dụng cụ và tại các vị trí răng cưa của phoi Tương tự kết quả mô phỏng quá trình hình thành phoi ứng với các góc trước của lưỡi cắt insert là γ
= 00, γ = -60 như Hình 4 và Hình 5
Hình 3 Quá trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert γ = -6 0
Trang 4
Hình 4 Quá trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert γ = 0 0
Hình 5 Quá trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert là γ = 6 0
Hình 6 và Hình 7 cho thấy hình dạng phoi thu
được ở các thông số lưỡi cắt khác nhau Trong
kết quả mô phỏng, trường nhiệt độ phân bố khác
nhau trên phoi khi góc trước của lưỡi cắt insert
tăng từ γ = -6° đến γ = 6° Hình 6 cho thấy sự
phân bố nhiệt độ trong quá trình gia công với lưỡi
cắt có góc trước dương (γ = 60) Khi cắt với góc
trước dương, do chiều dài tiếp xúc của phoi và dụng cụ cắt nhỏ nên biến dạng cũng nhỏ làm cho nhiệt độ phân bố thấp Trong khi đối với lưỡi cắt insert có góc trước âm γ = -60
(Hình 7) thì do chiều dài tiếp xúc của phoi và dụng cụ cắt lớn hơn dẫn đến biến dạng lớn hơn làm cho nhiệt độ phân bố cao hơn
Hình 6 Trường phân bố nhiệt độ ứng với góc trước lưỡi insert γ = 6 0
Trang 5
Hình 7 Trường phân bố nhiệt độ ứng với góc trước lưỡi insert γ = -6 0
3.2 Sự phân bố lực cắt
Sự phân bố lực cắt trong gia công tốc độ cao
thép SKD11 với lưỡi cắt insert được thực hiện với
vận tốc cắt là 1500 m/phút Sự phân bố lực cắt tại
vùng gia công với góc trước của lưỡi cắt insert γ
= -6° và γ = 6° được thể hiện ở Hình 8 và Hình 8
Ảnh hưởng của góc trước đối với sự phân bố lực
cắt được thể hiện ở Hình 9 Lực cắt ban đầu tăng
lên tuyến tính ở giai đoạn gia công ban đầu với
biên độ dao động tương đối ít Khi phoi bắt đầu
hình thành dạng răng cưa thì biên độ dao động
của lực tăng lên cùng với sự hình thành phoi Sau
đó quá trình này ổn định cho đến hết quá trình gia
công Ngoài ra, sự dao động của lực cắt liên quan
đến sự hình thành phoi răng cưa rất quan trọng
trong đánh giá hiệu suất mòn của dụng cụ cắt
3.3 Sự phân bố nhiệt độ
Sự phân bố nhiệt độ trong vùng tiếp xúc giữa
phoi và dụng cụ cắt được thực hiện trong quá
trình mô phỏng Có thể thấy rõ rằng vùng nhiệt độ
cao xuất hiện trong giao vùng tiếp xúc giữa phoi
và dụng cụ cắt với nhiệt độ lớn nhất xuất hiện gần vùng tiếp xúc này Trong quá trình hình thành phoi, hầu hết năng lượng của biến dạng được chuyển thành nhiệt trong các phoi đầu tiên và lan truyền trong các phoi, chi tiết và dụng cụ cắt Khi quá trình cắt tiếp diễn, ma sát giữa bề mặt tiếp xúc của dụng cụ và phoi tăng lên, sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn do áp lực tiếp xúc cao Các thông số gia công có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát sinh nhiệt độ và sự phân bố nhiệt độ là tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và thông số hình học dụng cụ cắt Trong bài báo này, chủ yếu tập trung vào ảnh hưởng của lưỡi cắt insert với các góc trước khác nhau đến sự phân bố nhiệt độ và nhiệt độ lớn nhất sinh ra trong quá trình gia công Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, với lưỡi cắt
γ = -6° thì nhiệt độ lớn nhất trên phoi có thể đạt đến 13000C và với lưỡi cắt có góc trước γ = 6° thì nhiệt độ lớn nhất là 11800C (như Hình 10)
Hình 8 Phân bố lực cắt ứng với góc trước lưỡi insert γ = -6 0
Trang 6
Hình 10 Phân bố nhiệt độ ứng với góc trước lưỡi insert : a) γ = -6 0 và b) γ = 6 0
5 KẾT LUẬN
Dựa trên các kết quả mô phỏng về ảnh hưởng
của thông số hình học của dụng cụ cắt đến sự
phân bố lực và nhiệt độ trong gia công thép hợp
kim SKD11, có thể rút ra một số kết luận như sau:
- Quá trình hình thành phoi ứng với các thông
số góc trước của dụng cụ cắt đã được mô phỏng
- Lực cắt ban đầu tăng lên tuyến tính ở giai
đoạn gia công ban đầu với biên độ dao động
tương đối ít Khi phoi bắt đầu hình thành dạng
răng cưa thì biên độ dao động của lực tăng lên
cùng với sự hình thành phoi Sau đó quá trình này ổn định cho đến hết quá trình gia công
- Với lưỡi cắt insert có góc trước γ = -6° thì nhiệt độ lớn nhất có thể đạt đến 13000C và với lưỡi cắt có góc trước γ = 6° thì nhiệt độ lớn nhất
là 11800C
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi quỹ nghiên cứu khoa học cấp cơ sở của Trường Đại học Công nghiệp TP HCM (mã số đề tài: IUH.KCK 02/2016)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Shih A Finite element simulation of
[1]
orthogonal metal cutting J Eng Ind 1995;
84–93
Shih A, Yang H.T.Y Experimental and finite
[2]
element predictions of residual stresses due
to orthogonal metal cutting Int J Numer
Methods Eng 1993; 1487–1507
Ueda K, Manabe K Chip formation in micro
[3]
cutting of an amorphous metal Ann CIRP
damage in metal cutting J Eng Manuf
1996; 233–242
Sandstrom DR, Hodowany J.N Modeling the
[5]
physics of metal cutting in high speed machining Machining Science and Technology, 1998; 343–353
Filice L, Umbrello D, Beccari S, Micari F On
[6]
the FE codes capability for tool temperature calculation in machining processes J Mater
Trang 7orthogonal machining Int J Mach Tools
Manuf 2007; 709–714
Che-Haron CH, Jawaid A The effect of
[8]
machining on surface integrity of titanium
alloy Ti6Al4V J Mater Process Technol
2005; 188–192
Che-Haron CH Tool life and surface integrity
[9]
in turning titanium alloy J Mater Process
Technol 2001; 231–237
Shaw MC, Vyzas A Chip formation in the
[10]
machining of hardened steel Ann CIRP
1993; 29–33
Umbrello D Finite element simulation of
[11]
conventional and high speed machining of Ti6Al4V alloy J Mater Process Technol
2008; 79–87
Calamaz M, Coupard D, Girot F A new
[12]
material model for 2D numerical simulation
of serrated chip formation when machining titanium alloy Ti–6Al–4V Int J Mach Tools
Manuf 2008; 275–288
SIMULATION STUDY ON EFFECT OF TOOL GEOMETRY TO CUTTING FORCE AND TEMPERATURE FOR HIGH SPEED CUTTING OF SKD11
STEEL
ABSTRACT
To Improving technology, productivity and
cutting tool life is an important requirements in the
manufacturing industry High speed machining is
becoming more important and used in the metal
cutting process, especially for low thermal
conductivity alloy As a result, the amount of
material cutting not only increase but also the
quality of the product is improved significantly,
and cutting time is reduced However, the
mechanics of the machining process are complex
and difficult to know by the experimental process
In high-speed machining, the temperature
distribution and cutting force during machining are
different from traditional machining This
distribution is very complex and will determine the quality of surface and tool life Therefore, studying the simulation of temperature distribution and cutting force in high-speed machining are important The simulation results are carried out with different geometric parameters of cutting tools The simulation results show that the segmented chip formation and temperature distribution results in cutting under different tool rake angles The highest temperature at the tool rake face can reach up to 1300 0 C and 1180 0 C as the tool rake angle are γ = -6° and γ = 6° respectively
Keywords: SKD11 steel, high speed machining, FEM, temperature field, cutting force