XÁC ĐỊNH các NHÂN tố ẢNH HƢỞNG đến lực cắt BẰNG DAO đĩa TRONG QUÁ TRÌNH vát mép THÉP tấm

XÁC ĐỊNH CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC CẮT BẰNG DAO ĐĨA TRONG QUÁ TRÌNH VÁT MÉP THÉP TẤM Trương Quốc Thanh, Trần Nguyên Duy Phương, Huỳnh Hữu Nghị Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa

XÁC ĐỊNH CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC CẮT BẰNG DAO

ĐĨA TRONG QUÁ TRÌNH VÁT MÉP THÉP TẤM Trương Quốc Thanh, Trần Nguyên Duy Phương, Huỳnh Hữu Nghị

Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM

TÓM TẮT:

Trong bài báo này, các mô hình và thiết bị

thực hiện công đoạn vát mép được giới thiệu Một

mô hình về máy vát mép cho thép tấm được trình

bày một cách khái quát Các nhân tố ảnh hưởng

đến lực cắt trong quá trình vát mép thép tấm bằng

dao đĩa (tác nhân liên quan đến công suất cắt và

tuổi bền dụng cụ) thông qua biên dạng và thông

số hình học của dụng cụ cắt được tiến hành khảo sát bằng mô hình toán Sự ảnh hưởng của các nhân tố làm cơ sở cho việc định tính các chỉ tiêu

về bài toán tối ưu các thông số ảnh hưởng đến lực cắt được đề cập đến

Từ khóa: thiết bị vát mép; hàn thép tấm; mô phỏng lực cắt; chuẩn bị phôi hàn; dụng cụ cắt

1 GIỚI THIỆU

Phần giới thiệu này bao gồm 2 phần: Phần 1

trình bày quá trình vát mép thép tấm; Các nghiên

cứu và tài liệu liên quan đến lực cắt trong quá

trình gia công, nhằm làm cơ sở cho việc nghiên

cứu lực cắt dụng cụ vát mép đề cập trong Phần 2

Phần 1 Giới thiệu quá trình vát mép: Ngày nay,

cùng với sự phát triển của công nghệ và khoa học

kỹ thuật, các cấu kết cấu thép và thiết bị lớn được

thực hiện chế tạo thông qua công đoạn hàn Ví

dụ, vát mép thép tấm được ứng dụng trong ngành

công nghiệp đóng tàu, xây dựng các công trình

dầm cầu thép, các nhà cao tầng với kết cấu thép,

v.v Vì vậy, các phương pháp hàn dùng để kết nối

và tạo liên kết các phần thép lại với nhau ngày

càng được phát triển nhằm đáp ứng với nhu cầu

phát triển của xã hội Bên cạnh đó, đối với các

mối ghép hàn vật liệu thép có chiều dày lớn (>15

mm: đối với hàn một phía; >25 mm đối với hàn hai

phía) thì công đoạn tiền xử lý mép phôi liệu ban

đầu là rất cần thiết, cụ thể là vát mép phôi hàn

nhằm làm tăng độ ngấu và tăng chiều dày của

đường hàn, dẫn đến đảm bảo độ bền chịu lực của

mối hàn

Bảng 1 So sánh các phương pháp vát mép

Đặc

điểm

Phương pháp

Ưu

điểm

Năng suất vát

mép cao cần

được kết hợp

với các thiết

bị đồ gá

chuyên dùng

Cơ động, không cần đầu tư lớn về thiết bị

Bề mặt mép vát chính xác và sạch

(ray dẫn hướng, đầu vát được lắp trên xe rùa có khả năng điều chỉnh tốc độ)

Nhược điểm

Gây biến dạng chi tiết

Mép vát để lại lớp O-xít kim loại  cần phải có công đoạn làm sạch lại bề mặt bằng máy mài tay

Năng suất thấp, chỉ dùng khi vát mép các phôi thép tấm có chiều dày nhỏ Tổn hao vật liệu đá mài lớn, ảnh trực tiếp đến sức khỏe của người thợ

Năng suất vát mép không cao

Thực tế cho thấy, liên quan đến phương pháp

và thiết bị phục vụ trong công đoạn vát mép phôi hàn ở nước ta như là: vát mép bằng gió đá, máy mài tay, dùng máy phay, Chất lượng của mối hàn phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn vát mép Bảng 1 cho ta thấy tổng quan về ưu và nhược điểm của 3 phương pháp vát mép trên

Hình 1 Vát mép bằng đầu gió đá và máy mài tay

Hình 2 Máy và dụng cụ trong máy phay vát mép

Hình 3 Thiết bị và máy vát mép của hãng Gullco

Các phương pháp và thiết bị thực hiện công

đoạn vát mép thép tấm được trình bày theo tài

liệu [1-2] Trong Hình 1, công nhân thực hiện công

đoạn vát mép thép tấm bằng tay Với phương

pháp này, người công nhân dùng máy mài tay mài

mép vát theo vết đã được vạch sẵn trên thép tấm

Hình 2 trình bày thiết bị và dụng cụ vát mép

bằng phương pháp phay [8] Các thiết bị này chỉ

vát được các thép tấm có mép vát và chiều dày

vát nhỏ Đối với mép vát lớn cần phải thực hiện

qua nhiều công đoạn, nên năng suất thấp Một

dạng máy vát mép thực hiện theo một nguyên lý

mới được thể hiện trên Hình 3 Đối với thiết bị

này, dao cắt có biên dạng hình đĩa, quá trình cắt

vật liệu có thể xem như phương pháp bào vật liệu

với vận tốc cắt gần bằng với tốc độ tiến của phôi

liệu

Phần 2 Lực cắt: Trong tài liệu [3-4], Abele và

các công sự đã nghiên cứu thành công quá trình

chẻ thép tấm bằng dao đĩa Đối với phương pháp

này, các dạng thép định hình chữ I họăc U có thể

được thực hiện thông qua phôi liệu ban đầu là

thép tấm và không cần qua công đoạn hàn phôi

với nhau

Một mô hình cơ học về những tham số ảnh

hưởng đến lực cắt trong quá trình phay mặt đầu

được đánh giá bằng thực nghiệm đã được xem

xét bởi Coelho và các cộng sự [5] Các tham số

về áp suất cắt (Ks), hệ số ma sát () và lực ma sát

đàn hồi ảnh hưởng từ mặt sau (F E) cũng được

xem xét Trong tài liệu [6], các tác giả mô phỏng

lực cắt trong phương pháp phay ngón khi xét đến ảnh hưởng của chiều sâu cắt (xét ảnh hưởng của lực cắt bên hông dao) Nghiên cứu [7] xét đến khả năng gia công hợp kim Titan, trong quá trình gia công có thể hiệu chỉnh lại các thông số chế độ cắt thông qua tín hiệu nhận về Đối với mô hình này

có thể xem như là phương pháp gia công thông minh Trong tài liệu [8], tác giả đăng ký bản quyền

về một mô hình máy phay dùng trong vát mép thép tấm

Trong tài liệu [9], tuổi thọ và độ bền của dụng

cụ cắt được tác giả nghiên cứu một cách chi tiết Khi xem xét yếu tố năng suất và độ chính xác gia công cần phải dung hòa với yếu tố về tuổi bền của dụng cụ Tuy nhiên, khi xét phương pháp vát mép thép tấm cho công đoạn hàn, do yêu cầu về độ chính xác không cần cao Do đó, yếu tố về độ bền không cần đặt nặng so với yếu tố về năng suất Tài liệu [10 -11] là các giáo trình về dụng cụ và nguyên lý cắt kim loại, các khái niệm công thức số liệu sẽ được trong mô phỏng lực cắt

Nội dung chính còn lại của bài báo gồm 4 đề mục: Đề mục 2 giới thiệu về quá trình hình thành lực cắt trong gia công cắt gọt; Đề mục 3 nêu lên hiện trạng và thiết bị vát mép hiện tại của Công ty Gullco; Đề mục 4 mô hình hóa quá trình vát bằng dao đĩa; Cuối cùng, phần kết luận được trình bày trong đề mục 5

2 LỰC CẮT 2.1 Quá trình hình thành lực cắt

Những vấn đề liên quan đến lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, đồ gá, tính toán thiết

kế máy móc thiết bị Dụng cụ cắt sẽ bị mòn hoặc

bị phá hủy dưới tác dụng của lực và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt Những hiểu biết lý thuyết

về lực cắt nhằm xây dựng chính xác lý thuyết quá trình cắt

Lực cắt sinh ra khi cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là hằng số mà biến đổi theo quãng đường của dụng cụ Khi nghiên cứu bản chất động lực học của quá trình cắt kim loại, lực cắt còn được phân tích thành các thành phần theo các mặt chịu tải Khảo sát quá trình bào tự

do, ta có sơ đồ trên Hình 4(a)

- Mặt trước dao: Lực ép trên mặt trước dao N1;

Lực ma sát trên mặt trước dao F 1; Tổng lực

tác dụng lên mặt trước là Q 1

- Mặt sau dao: Lực ép trên mặt sau dao N2; Lực

ma sát trên mặt sau dao F 2; Tổng lực tác

dụng lên mặt trước là Q 2

Hình 4(b) thể hiển lực cắt hình thành trên mặt

trượt và các lực thành phần được biểu diễn trên

vòng tròn Merchant Các lực thành phần trên mặt

trượt gồm: Lực tách phoi P c; Lực ép lên vùng cắt

Pe Dựa vào lực cắt chính P v và lực chạy dao P s

trong mô hình cắt tự do trên đây xây dựng vòng

tròn Merchant, nhờ đó ta vẽ và xác định được các

lực cắt

a

a f

γ

α v Dụng cụ

Phôi

Phoi

Q 1

F 2

N1 F

1

N2

Q 2

Q 1

Lực cắt

(a) Lực trên hai mặt trước và sau của cụng cụ

cắt;

b

P c

P e

O

M

Phoi

Y

X

N 1

F 1

α

1

N 1

F 1

Q

P v

P e

P c

P s

a

a f

γ

α v Dụng cụ

Phôi

Phoi

1

(b) Lực cắt trên mặt truợt và biểu diễn lực

thành phần trên vòng tròn merchant

Hình 4 Mô tả quá trinh hình thành lực cắt

Các thành phần lực trên Hình 4(b) Theo lý

thuyết cân bằng lực, tổng lực tác dụng vào phần

tử phoi cắt phải bằng không

Chiếu hệ lực này trên hai trục của hệ tọa độ

XOY, ta có:

N cos Fsin P sin P cos 0

N sin Fcos P cos P sin 0

Ta có trên mặt trước dao: F =µN Từ quan điểm biến dạng kim loại trên mặt trượt, ta có thể xác định:

tb 1

a b P

sin

b

Trong đó:

σc là ứng suất cắt sinh ra trong mặt trượt OM

Từ đó, ta có thể tính được:

1

N (sin os )+(cos + sin )





với K là hệ số co rút phoi, sau khi biến đổi lực

N được tính như sau:

c tb 2

.a b[(K - sin ) cos ]

N = cos (sin cos ) (cos + sin )(K - sin )cos



2.2 Công thức xác định lực cắt

a Phương pháp dựa trên cơ sở phân tích về

cơ học quá trình cắt

Thực hiện nghiên cứu quy luật xuất hiện mặt

trượt OM (thông qua góc tách phoi β), nghiên cứu

ứng lực sinh ra khi tách phoi với diện tích tiết diện phoi cắt xác định và từ tính chất cơ học của vật liệu chi tiết gia công người ta đã xác định được lực cần thiết để tách được một đơn vị diện tích phoi cắt (tính cho 1 mm2), lực này được gọi là lực cắt đơn vị, ký hiệu là p, đơn vị tính là N/mm2

Kết quả nghiên cứu cho ta công thức tính lực cắt đơn vị p như sau:

c

p tg b ctgb , (N/mm 2) (6)

Trong đó:

- σc là ứng suất cắt sinh ra trong mặt trượt OM, [N/mm2],

- Ψ là góc giữ phương trượt và phương lực tác

dụng đối với một loại vật liệu xác định, phụ thuộc vào vật liệu gia công,

- β1 là góc tách phoi

Lực cắt được tính theo công thức sau:

Trong đó:

- q là diện tích tiết diện lớp cắt được tách ra Với: q = s.t = atb.b (mm2) Với: - s: lượng chạy dao; t: chiều sâu cắt ; atb: chiều dài cắt trung bình; b: bề rộng cắt

Thay phương trình (6) vào phương trình (7) Ta

nhận được:

c tb

P a b tg b ctgb , (N) (8)

b Phương pháp thiết lập công thức thực

nghiệm dạng hàm mũ

Công thức thực nghiệm tính toán lực cắt được

xây dựng trên cơ sở khảo sát bằng thực nghiệm

mức độ ảnh hưởng của các yếu tố cắt gọt đến lực

cắt Bằng các kết quả thực nghiệm thu được

thông qua thống kê xử lý số liệu ta nhận được

công thức thực nghiệm Nhiều nhà nghiên cứu đã

đề xuất công thức tính toán lực cắt dưới dạng

hàm mũ đối với các yếu tố cắt gọt chính:

p p p

x y z

PC t s v K , (N) (9)

Trong đó:

- C p là hằng số lực cắt; xp, yp, zp là các số mũ;

Kp là hệ số điều chỉnh được xác định từ thực

nghiệm cắt gọt Trong cắt gọt kim loại, yếu tố cắt

gọt ảnh hưởng đến độ lớn lực cắt có rất nhiều

3 THIẾT BỊ VÀ KHẢ NĂNG CỦA MÁY VÁT MÉP

HIỆN TẠI SỬ DỤNG DAO CẮT DẠNG ĐĨA

Hiện tại, công ty Gullco đã phát triển các dòng

máy thương mại dùng dụng cụ cắt dạng đĩa cho

công đọan vát mép thép tấm Mô hình máy thực

như Hình 5

A

D

W

Hình 5 Mô hình máy vát mép công ty Gullco

Thiết bị dùng có thể thực hiện mép vát với

chiều dày cắt và bề rộng mép tương đối lớn Vận

tốc vát vào khoảng 3 (m/phút) Khả năng vát mép

của thiết bị phụ thuộc vào sức bền của kim lọai

tấm, chiều dày mép vát và góc nghiêng Cụ thể

các giá trị tham khảo về khả năng của máy được

cho trong Bảng 2

Bảng 2 Khả năng có thể vát mép của máy

KBM-18 Góc

vát

Sức bền kéo

A (0)

W

(mm)

D

(mm)

W

(mm)

D

(mm)

W

(mm)

D

(mm)

4 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH VÁT MÉP BẰNG DAO ĐĨA

4.1 Thông số hình học dao

Dụng cụ cắt được sử dụng trong quá trình gia công có dạng côn trụ với các thông số hình học trong các góc tọa độ khác nhau được trình bày trong Hình 6a và 6b

z x y

D

D

D

(a) Thông số hình học dụng cụ cắt trong tọa độ của phôi Oxyz; (b) Thông số hình học của dụng

cụ trong hệ tọa độ dao OxDyDzD

Hình 6 Thể hiện các góc dụng cắt và biên dạng dao trong các góc tọa độ khác nhau

Trong đó:

- Đường kính đáy lớn D0

- Đường kính đáy nhỏ D1

- Chiều cao h;

- Góc sau  (giảm ma sát phoi và dụng cụ trong quá trình gia công);

- Góc trước  (được xác định thông qua{D0,D1,h})

Hai hệ trục tọa độ được xét trong quá trình này là:

- Oxyz, hệ trục của tọa độ phôi

- OxDyDzD, hệ trục khi xét trong tọa độ dụng cụ cắt

Mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ là tịnh tiến và xoay một góc  quanh trục Ox

Trong quá trình vát mép thực tế biên dạng dao

cắt có dạng răng cưa với các cung tròn được tạo

nên trên bề mặt ngoài của dao cắt Do đó, trong

quá trình gia công, lực cắt sinh ra cùng chiều tiến

của phôi, lực này có tác dụng tự kéo phôi vào để

thực hiện quá trình cắt Để xét toàn diện cho mô

hình lực cắt thực tế và biên dạng hình học của

dụng cụ cắt sau này

Trong bài báo này, giả thiết đặt ra là lực cắt

sinh ra có tác dụng thực như trong quá trình bào

Việc xác định lực cắt là nền tảng cho các nghiên

cứu tiếp theo khi xác định dao với biên dạng cắt

răng cưa và lực cắt có chiều được xác định cùng

chiều với hướng vận tốc cắt

Cácthông số của chế độ cắt như bề rộng W,

chiều sâu cắt t và vận tốc phôi vf được thể hiện

trong Hình 6(a) Quá trình gia công được thực

hiện trong phạm vi dụng cụ tiếp xúc với phôi, cung

1 2

I I Vận tốc cắt xét tại điểm bất kỳ tại biên dạng

lưỡi cắt là tổng của hai thành phần vận tốc

Trong đó:

- vf: vận tốc phôi (3m/s)

- vD: vận tốc dài của dao cắt ( D ( / )m s

Biên dạng cắt được thực hiện trên phần cung

1 2

I I , tương ứng với góc bắt đầu là 1 và kết thúc

tại 2 Việc khảo sát quá trình gia công được hiện

trong phạm vi   1  2

Hình 6(b) thể hiện hai mặt cắt A-A và B-B lần

lượt tại hai vị trí góc tương ứng là 0

90

dụng cụ cắt khi xét theo phương Ox Do có sự

biến đổi các gốc độ của dụng cụ cắt theo góc 

khi xác định trên phương Ox, việc xác định thông

số hình học dao có thể xét định tính thông qua

việc nội suy các hàm số gần đúng với sự thay đổi

trên

Ta có các điều kiện biên ban đầu các góc dao

thay đổi theo góc theo phương Ox,





[11]

Quá trình biến đổi các góc không tuân theo quy

luật tuyến tính

Hình 7 Xét ảnh hưởng thay đổi các góc  và

 theo dạng hàm số sau:

n a

n b

g k e

g k e

















 

 





Xác định các hệ số của hệ phương trình (12) bằng các điều kiện biên và giả định sự thay đổi Sau khi kết hợp hai hàm: nội suy tuyến tính và hàm ảnh hưởng cho biên dạng dao cắt Ta có được phương trình sau

( ) ( )

T g

T g



(13)

Các hàm nội suy tuyến tính (T T,  ) được xác định thông qua điều kiện ban đầu (11) Trong quá trình xem xét sự biến đổi góc dao thông qua hệ phương trình (13) giá trị góc trước và sau được tìm ra ở Hình 8 và Hình 9

Hình 8 Sự thay đổi góc sau  theo sự thay đổi của góc  từ 0 đến 900

Hình 9 Sự thay đổi góc trước  theo sự thay đổi của góc  từ 0 đến 900

Kết quả trên được thực hiện với các hệ số giả định

K=0.5; K=0.2, và các điều kiện biên









2

(1,82 0,048 )

(1,82 0,048 )

T g K e

T g K e





  









4.2 Lực cắt

Trong quá trình gia công khi dao thực hiện

chuyển động quay tròn, ta có thể xét chuyển động

này là chuyển động làm tăng tuổi bền dụng cụ cắt

và không xét chuyển động này ( = 0) Tuy nhiên,

chuyển động xoay tròn này sẽ làm thay đổi

phương của vận tốc cắt (Hình 6a), quá trình đó sẽ

làm ảnh hưởng ít nhiều đến quá trình hình thành

lực cắt

Khi mô phỏng và tính toán lực cắt, ta giả định

dao đứng yên và chi tiết thực hiện chuyển động

tịnh tiến để thực hiện quá trình vát mép Như vậy,

ta có thể xem công đoạn này như bào vật liệu Khi

xoay dao và phôi đi một góc  và dùng 2 mặt

phẳng cắt dọc theo phương X Ta nhận được

Hình 10 với các thông số hình học dao cắt với các

góc độ khác nhau phụ thuộc vào góc 

Trong phương trình [14], với các gốc độ

trị góc trước và góc sau tương ứng:

1

1

 





I I

1x

1x

2x

v

Dung cu cat

W

Phoi

Phôi

Hình 10 Mô hình quá trình gia công của dao đĩa

trên hai tiết diện cắt

Nhận thấy các góc độ dao thay đổi rất nhiều trong quá trình xác định lực cắt được thể hiện trong biểu thức [5] Do đó, khi xác định lực cắt bằng hai phương pháp được trình bày ở công thức (8) (PC t s v K p x p y p z p p ) sẽ có những thay đổi

khi tra các hệ số ảnh hưởng đến các góc độ của dao Do đó, ta có thể áp dụng công thức (6) và (7) xác định lực cắt thông qua phân tích cơ học Lực này tác dụng theo phương XD làm cơ sở để xác định công suất máy gia công Các thành phần lực theo phương YD và phương ZD làm nền tảng để xác định độ bền của các ụ dao

Từ công thức (6) và (7), ta rút ra công thức định lực cắt:

cat c

Với Scắt: diện tích chịu cắt ( 1

2

cat

S  W t)

Từ đó, ta nhận được biểu thức xác định lực cắt như sau

1

P W t tg b ctgb (17) Tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể, ta hoàn toàn xác định được giá trị lực cắt thông qua các công thức (17)

5 KẾT LUẬN

Trong bài báo này, xét các nhân tố ảnh hưởng đến lực cắt thông qua biên dạng và thông số hình học của dụng cụ cắt được tiến hành khảo sát bằng mô hình toán Xét sự ảnh hưởng của các thông số hình học, dụng cụ cắt làm cơ sở cho việc định tính các chỉ tiêu về bài toán tối ưu các thông

số ảnh hưởng đến lực cắt và cơ sở để xác định công suất máy

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] http://www.fabtooltechnologies.com

[2] http://www.bugo.com

[3] Soon-Wook Choi, Chulho Lee et al.,

“Experimental linear cutting tests of forces

and temperature gradients in disc cutters”,

Advance in Cilvil, Enviromental and Material

Research, Korea, August 28-Sept Volumn 1,

2016

preparation on sheet metal”, Journal of

Advances in production engineering and management, V.3, page 149-157, 2008

[5] R T Coelho, A Braghini Jr., C.M.O Valente

và G C Medalha, “Experimental evaluation

of cutting force parameters applying mechanistic model in orthogonal milling”,

Journal of the Braz Soc Of Mech Sci & Eng., volumn XXV, Number 3, Page 247-253,

2003

[6] W H Lai, “Modeling of cutting force in end

milling operations” Tamkang Journal of

Science and Engineering, Volumn 3, Number

1 , page 15-22, 2000

[7] B Jabbaripoor, A Habibzadeh và M.H

Sadeghi, “Cutting force modeling in

end-milling operation of titanium thin-walled

parts”, Iranian Conference on manufacturing

Engineering, (ICME2009), 3-5/03, 2009

[8] VaderPol et al, “Cutting and beveling tool”,

Number Parent: US 7,271,505 B2, 2007

[9] A.G Mamalis, J Kundrák vàa M Horváth,

“On a novel tool life relation for precision

cutting tools”, Journal of manufacturing

science and engineering, Volumn 5, page

328-332, 2005

[10] T R David, Fundamentals of tool design,

Prentice Hall, Inc., New Jersey, 1991

[11] T V Địch, Nguyên lý cắt kim loại, Nhà xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006

DETERMINATION OF PROCESS PARAMETERS AFFECTING ON CUTTING FORCE BY DISK-SHAPED CUTTER FOR BEVELING SHEET

METAL

ABSTRACT

In this paper, the equipments of sheet

beveling machine are introduced A model of a

beveling machine for sheet metal is presented as

a generalization Process parameter affecting on

the cutting force during the beveling of the sheet

metal by dish-shaped cutter (factors related to the

power and the cutting tool life) via the shape and geometric parameters of the tool were considered through the mathematical model The influence of process parameter as the basis for the qualitative determination of the optimal parameters affecting

on the cutting force is investigated

Keywords: beveling machine, sheet metal beveling machine, chamfering machine, disk-shaped cutter,

modelling cutting force, cutting tool