Nghiên cứu sự ảnh hưởng của loại dung dịch bôi trơn làm nguội tối thiểu đến lực cắt và nhám bề mặt khi tiện cứng thép 9 xc

Từ đó chúng ta thấy rằng: sử dụng bôi trơn làm nguội vào tiện cứng sẽ làm cải thiện quá trình cắt khi tiện Với các ưu điểm trên nên việc nghiên cứu ảnh hưởng loại dung dịch bôi trơn làm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT THAI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA LOẠI DUNG DỊCH BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU ĐẾN LỰC CẮT

VÀ NHÁM BỀ MẶT KHI TIỆN CỨNG THÉP 9XC

NGUYỄN TRỌNG ANH TUẤN

THÁI NGUYÊN-2010

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

1 Bảng 1 Hằng số lực cắt Cp khi cắt vật liệu dẻo

2 Bảng 2 Hằng số lực cắt Cp khi cắt vật liệu dòn

3 Bảng 3 Lực cắt và độ nhám khi tiện khô

4 Bảng 4 Lực cắt và độ nhám khi tiện có MQL , DDTN-Emusil 10%

5 Bảng 5 Lực cắt và độ nhám khi tiện có MQL , DDTN-Dầu Lạc

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1 Hình 1.1 Qúa trình hình thành phoi khi tiện thường

2 Hình 1.2 Sơ đồ quá trình hình thành phoi thép

3 Hình 1.3 Các loại phoi

4 Hình 1.4 Sơ đồ nguồn gốc của lực cắt

5 Hinh 1.5 Nguồn gốc và sự phân bố lực cắt

6 Hình 1.6 Quan hệ giữa θ và v

7 Hình 1.7 Quan hệ giữa chiều dày cắt và nhiệt cắt

8 Hình 1.8 Quan hệ giữa nhiệt cắt với b

9 Hình 1.9 Các dạng mài mòn của dung cụ cắt

10 Hình 1.10 Mài mòn mặt sau

11 Hình 1.11 Mài mòn Crater

12 Hình 1.12 Các dạng mài mòn khi tiện

13 Hình 1.13 Chi tiết bề mặt vật rắn

14 Hình 1.14 Qúa trình hình thành phoi khi tiện cứng

15 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý đầu phun

Phần phụ lục Danh mục các Ký hiệu, bảng biểu và các hình vẽ

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI CÁM ƠN

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục đích và phương pháp nghiên cứu

3 Đối tượng nghiên cứu

4.Nội dung nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Phần kết luận chung

- Kết luận chung cả luận văn

- Hướng nghiên cứu tiếp theo, các kiến nghị

1.2 Cơ sở vật lý của quá trình cắt khi tiện

1.2.1 Khái niệm

1.2.2 Qúa trình tạo phoi và phân loại phoi

1 Quán trình tạo phoi

2 Phân loại phoi

1.2.3 Lực cắt

1 Lực cắt khi tiện và các thành phần của lực cắt

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện

a) Ảnh hưởng của chi tiết gia công đến lực cắt b) Ảnh hưởng của điều kiện gia công đến lực cắt 1.2.4 Nhiệt cắt

1 Qúa trình hình thành nhiệt khi tiện

2 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt khi tiện

3 Các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt cắt khi tiện

4 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội dến nhiệt cắt

1.3 Qúa trình cắt khi tiện cứng

1.3.1 Qúa trình tạo phoi khi tiện cứng

1 Quá trình tạo phoi và phân loại phoi

1 4.2 Dung dịch bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt

1 Yêu cầu và tác dụng của chất làm dung dịch bôi trơn-làm nguội

2 Một số hóa chất thường dùng trong bôi trơn làm nguội

1.4.3 Các phương pháp bôi trơn làm nguội

1.4.4 Bôi trơn làm nguội khi tiện cứng

1.5 Khái quát tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Khái quá về tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.5.2 Khai quát tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm

3.1.1 Yêu cầu hệ thống thí nghiệm

3.1.2 Trang thiết bị thí nghiệm

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Kết luận chung cả luận văn

- Hướng nghiên cứu tiếp theo, các kiến nghị

Tài liệu tham khảo

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên tôi xin gởi đến TS Trần Minh Đức lời cám ơn sâu sắc Thầy

đã tận tình hướng dẫn tôi để thục hiện đề tài này, định hướng đề tài và sự hướng dẫn tận tình của thầy để tôi được tiếp cận và khai thác các tài liệu chuyên môn cũng như những chỉ bảo trong quá trình viết luận văn và làm thực nghiệm

Ngoài ra tôi cũng hết sức cám ơn các anh em công nhân, nghiên cứu sinh: Cao Thái Sơn đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này

Và cũng không thể quên nói lời cám ơn đến gia đình của tôi Tôi xin chúc mọi người sức khõe, hạnh phúc và thành đạt

Huế, ngày Tháng Năm 2010

Học viên

Nguyễn Trọng Anh Tuấn

1 Tính cấp thiết của đề tài

- Tiện cứng có nhiều lợi thế so với mài Lợi thế đáng kể nhất của tiện cứng là

có thể dùng cùng một dụng cụ mà vẫn gia công được nhiều chi tiết có hình dáng khác nhau bằng cách thay đổi đường chạy dao Trong khi đó muốn mài được hình dạng chi tiết khác thì phải sửa lại đá hoặc thay đá khác Đặc biệt tiện cứng có thể gia công được biên dạng phức tạp mà mài khó có thể thực hiện được Nếu xét về chi phí đầu tư thì một máy tiện CNC chỉ bằng khoảng 1/2 đến 1/10 máy mài CNC

- Tiện cứng là phương pháp tiện sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng CBN (Cubic Boron Nitride), PCBN (Polycrystal cubic boron nitride - nitrit bo lập phương

đa tinh thể), PCD (Polycrystalline Diamond – Kim cương đa tinh thể) hoặc ceramic tổng hợp thay thế cho mài để gia công thép đã tôi (có độ cứng lớn hơn 45HRC) Phương pháp này có thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá Cấp chính xác khi tiện cứng đạt IT6 và độ bóng bề mặt (Rz = 2 – 4 micromet), có thể so sánh với chất lượng khi mài.Thông thường các chi tiết bằng thép được gia công sau đó nhiệt luyện rồi chuyển qua công đoạn mài Thời gian cho nguyên công mài hơn nhiều lần so với tiện cứng và mài cũng đắt hơn so với tiện cứng trên máy tiện Một hạn chế nữa là chi phí cho dung dịch trơn nguội của các công đoạn mài khá cao Mặc khác, chất thải ra khi mài ngày càng gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công chi tiết Trong khi đó, tiện cứng có thể được thực hiện mà không sử dụng dung dịch trơn nguội Vì những lí do nói trên, tiện cứng đã dần thay thế cho mài trong gia công lần cuối

- Khi tiện cứng nhiệt sinh ra trong vùng cắt gọt khi tiện cứng khá cao, có thể lên đến khoảng 930o

C Thông thường khi tiện cứng người ta dùng phương pháp gia công khô Để thay thế phương pháp gia công khô bằng phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu Dung dịch bôi trơn được đưa và vùng cắt dưới áp suất dòng khí Phương pháp này mang lại các ưu điểm giảm lực cắt, tạo lớp bảo vệ bề mặt chi tiết, làm tăng tuổi thọ của dụng cụ cắt v v mặt khác phương pháp này không làm ô nhiễm môi trường, không gây tác hại cho công nhân,.chi phí thấp vì lượng phun rất

nhỏ và không cần tái chế sau khi đã sử dụng Từ đó chúng ta thấy rằng: sử dụng bôi trơn làm nguội vào tiện cứng sẽ làm cải thiện quá trình cắt khi tiện

Với các ưu điểm trên nên việc nghiên cứu ảnh hưởng loại dung dịch bôi trơn làm nguội tối thiểu đến lực cắt và nhám bề mặt gia công khi tiện cứng thép 9XC là cần thiết

2 Mục đích và phương pháp nghiên cứu

a) Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu ứng dụng bôi trơn làm nguội tối thiểu ( MQL) vào tiện cứng Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm nguội tối thiểu khi tiện cứng để

từ đó xác định được loại dung dịch hợp lý trong bôi trơn làm nguội tối thiểu

- Tìm loại dầu thực vật sẵn có ở Việt Nam sử dụng làm dung dịch bôi trơn làm nguội tối thiểu ( MQL ) Loại dung dịch mà tác giả chọn là dầu Lạc và dầu Emusil b) Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu giữa lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm

3 Đối tượng nghiên cứu

- Vật liệu gia công: Thép 9XC qua tôi có độ cứng 58 ÷62 HRC

- Dao: CBN ( Cubic Boron Nitride)

- Dung dịch trơn nguội: Gia công khô, MQLvới Dầu lạc, Emusil

4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu so sánh giữa các phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu

( MQL ) khi tiện thép 9XC đến lực cắt và độ nhám bề mặt chi tiết khi tiện khô, tiện

có bôi trơn làm nguội tối thiểu và dung dịch trơn nguội là Dầu Lạc, Emusil

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

Góp phần bổ sung một phần kiến thức cơ bản về MQL ứng dụng vào tiện cứng và một số đánh giá thực nghiệm để tối ưu hóa khi chọn loại dung dịch trong bôi trơn tối thiểu đến lực cắt và độ nhám bề mặt gia công khi tiện cứng thép 9XC

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Hiện nay người ta thường dùng phương pháp tiện cứng để thay thế cho quá gia công mài vì tiện cứng mang lại hiệu quả cao Do vậy, nghiên cứu sử dụng phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu vào trong tiện cứng để nhằm nâng cao hiệu quả là vấn đề cần thiết hiện nay Nghiên cứu, ứng dụng có hiệu quả công nghệ MQL sử dụng dung dịch dầu Lạc, Emusil vào tiện cứng để ứng dụng với thực tế điều kiện sản xuất ở Việt Nam

6 Nội dung luận văn

Lời nói đầu

Chương 1: Tổng quan về tiện cứng và bôi trơn làm nguội khi tiện cứng

Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng bôi trơn tối thiểu vào quá trình tiện cứng

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Phần kết luận chung

- Kết luận chung cả luận văn

- Hướng nghiên cứu tiếp theo, các kiến nghị

Phần phụ lục

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG

VÀ LÀM NGUỘI TỐI KHI TIỆN CỨNG

1.1.Khái niệm, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng

2 Nhược điểm:

- Tuy tiện cứng mang lại hiệu quả cao nhưng nó cũng mang theo một số nhược điểm Do làm việc ở nhiệt độ cao nên dụng cụ thường bị phá hỏng rất nhanh , dụng cụ phải làm từ vật liệu rất cứng vì vậy làm cho quá trình sản suất khó và phức tạp ngoài ra do nhiệt độ vùng cắt lớn nên làm cho bề mặt chi tiết bị biến dạng, cháy v v

1.2 Cơ sở vật lý của quá trình cắt khi tiện

1.2.1 Khái niệm

- Gia công kim loại bằng cắt gọt là một phương pháp gia công kim loại rất

phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo máy

- Quá trình cắt kim loại là quá trình con người sử dụng dụng cụ cắt để hớt bỏ lớp kim loại thừa khỏi chi tiết, nhằm đạt được những yêu cầu cho trước về hình dáng, kích thước, vị trí tương quan giữa các bề mặt và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công Lớp kim loại thừa trên chi tiết cần hớt bỏ đi gọi là lượng dư gia công cơ Lớp kim loại đã bị cắt bỏ khỏi chi tiết gọi là phoi cắt

1.2.2 Qúa trình tạo phoi khi tiện thường và phân loại

1 Quá trình tạo phoi khi tiện thường

Qua nghiên cứu quá trình tiện nói chung thì thực tế phoi được tách ra khỏi chi tiết khi cắt không theo phương của vận tốc cắt (tức là phương lực tác dụng) Phoi khi cắt ra bị uốn cong về phía mặt tự do; kích thước của phoi bị thay đổi so với lớp cắt khi còn trên chi tiết (hình 1.1)

Hình 1.1 Qúa trình hình thành phoi khi tiện thường

Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 1.2a), sau đó bị biến dạng dẻo, quá trình biến dạng dẻo tăng dần cho đến khi bị lực liên kết bên trong của các phân tử chặn lại Ở thời điểm này xảy ra sự xếp lớp của các phần

tử phoi và sự trượt của chúng trên mặt phẳng BC (hình 1.2b) Hiện tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1÷ 5 (hình 1.2c)

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình hình thành phoi thép Biến dạng dẻo xảy ra trong vùng được giới hạn bằng góc , góc này được gọi là góc tác động Góc 1 gọi là góc trượt, còn mặt phẳng BC gọi là mặt phẳng trượt Quá trình hình thành phoi trên đây xảy ra khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn và góc cắt nhỏ

2 Phân loại phoi

- Phoi dây (hình 1.3a) được hình thành khi gia công vật liệu dẻo với chiều sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt và góc trước lớn

- Phoi xếp lớp (hình 1.3b) được hình thành khi gia công thép và các vật liệu dẻo khác với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước nhỏ

- Phoi vụn (hình 1.3c) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước nhỏ

Khi gia công các vật liệu giòn (gang) với chiều sâu cắt và góc trước lớn thì phoi vụn (hình 1.3d) có hình dạng không giống nhau được hình thành

Hình 1.3 Các loại phoi

1.2.3.Lực cắt

1 Lực cắt khi tiện và các thành phần của lực cắt

Trong quá trình cắt kim loại, để tách được phoi và thắng được ma sát cần phải có lực Lực sinh ra trong quá trình cắt là động lực cần thiết nhằm thực hiện quá trình biến dạng và ma sát

Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình cắt kim loại có ý nghĩa cả lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, đồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị, Dưới tác dụng của lực và nhiệt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ Muồn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ dao thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hoá lý thuyết quá trình cắt Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng cân bằng

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 Theo cơ học, nghiên cứu về lực nói chung là xác định 3 yếu tố:

- Điểm đặt của lực

- Hướng (phương và chiều) tác dụng của lực

- Giá trị (độ lớn) của lực

Trong cắt gọt kim loại, người ta gọi lực sinh ra trong quá trình cắt tác dụng lên dao là lực cắt, ký hiệu là P

; còn lực có cùng độ lớn, cùng phương nhưng ngược chiều với lực cắt gọi là phản lực cắt, ký hiệu là P

 Quá trình cắt thực hiện được cần

có lực để thắng biến dạng và ma sát, do vậy lực cắt theo định nghĩa trên có thể hiểu rằng có nguồn gốc từ quá trình biến dạng và ma sát Biến dạng khi cắt có biến dạng đàn hồi Pdh

và biến dạng dẻo Pd

Do vậy lực sinh ra do biến dạng cũng có lực biến dạng đàn hồi và lực biến dạng dẻo Những lực này cùng với lực ma sát tác dụng lên dao, cụ thể trên mặt trước và mặt sau dao

Hình 1.4 Sơ đồ nguồn gốc của lực cắt Trên đây hệ lực được xét là hệ lực phẳng, nhưng nói chung trong cắt gọt thực

tế thì lực cắt là một hệ lực không gian Để tiện cho việc nghiên cứu, tính toán, đo đạc và kiểm tra, ta có thể nghiên cứu lực cắt thông qua các thành phần của chúng

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện

a) Ảnh hưởng của chi tiết gia công đến lực cắt

Bản chất biến dạng và ma sát của quá trình cắt kim loại cho ta thấy rằng: chi tiết gia công có ảnh hưởng lớn đến quá trính cắt, đặc biệt đến lực cắt

Thực nghiệm ghi nhận chi tiết gia công ảnh hưởng đến lực cắt bởi các yếu tố sau:

- Thành phần hoá học,

- Cấu trúc kim loại của vật liệu,

- Phương pháp chế tạo phôi…

Thực tế nếu tiến hành khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố trên đến lực cắt thì rất phức tạp và khó khăn; do vậy trong các công thức thực nghiệm tính toán lực cắt người ta biểu thị mức độ ảnh hưởng của vật liệu cụ thể đến lực cắt trong điều kiện cắt gọt xác định bằng độ lớn lực cần thiết để tách 1mm2 diện tích tiết diện phoi cắt khỏi chi tiết gia công Theo phân tích trên đây chính là lực cắt đơn vị p Tuy vậy đối với một loại vật liệu thì p còn phụ thuộc vào chiều dày cắt a Vì vậy để phân biệt trong khảo sát trong công thức kinh nghiệm: Lực cắt đơn vị p được định nghĩa là lực cần thiết để tách một lớp phoi tiết diện 1mm2 có chiều dày trung bình atb=1mm

và chiều rộng b=1mm trong điều kiện dao tiêu chuẩn Như vậy lực cắt đơn vị đặc trưng cho một loại vật liệu xác định được gọi là hằng số lực cắt, thường ký hiệu là

Cp Xét thành phần lực Pv, ta có: Cpv = Pv = p trong điều kiện a=1mm B=1mm và dao Tiêu chuẩn Trong thực tế, hảng số lực cắt Cp được xác định bằng thực nghiệm

và cho theo bảng trong các sổ tay cắt gọt

Bảng 1- Hằng số lực cắt Cp khi cắt vật liệu dẻo

+ Lực cắt cần thiết để cắt gang (vật liệu dòn) nhỏ hơn khi cắt thép (vật liệu dẻo) bởi vì khi cắt gang công biến dạng nhỏ và hệ số ma sát của gang cũng nhỏ hơn của thép

b) Ảnh hưởng của điều kiện gia công đến lực cắt

Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố như chế độ cắt v, s, t; độ cứng vững của

hệ thống công nghệ; có hay không tưới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt…Ở đây

ta chỉ khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt

Khảo sát ảnh hưởng của các thông số v, s, t đến lực cắt trong quá trình cắt Sử dụng nguyên lý cọng tác dụng, khi nghiên cứu ảnh hưởng của một thông số nào đó, trong thí nghiệm ta cho tất cả các yếu tố khác không thay đổi và chỉ cho yếu tố đang xét thay đổi, sau đó tổng hợp lại ta nhận được ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố xét đến lực cắt

- Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt

Vì chiều rộng cắt b = t/sin có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của b đến lực cắt Pv

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi, cho b thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng như trên đồ thị Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng b thì lực cắt cũng tăng Nếu như cắt với chiều dày cắt atb 1mm thì lực cắt chính Pv được tính bằng:

v p V

x P

- Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến lực cắt

Vì chiều dày cắt a = s.sin có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của a (qua atb) đến lực cắt Pv

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi với b = 1mm, cho a thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng

Bằng cách xử lý các số liệu đo ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt và a như sau:

pv V

Y P

V C a

Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng chiều dày cắt a thì lực cắt cũng tăng, nhưng không tăng nhiều như đối với b, vì rằng khi tăng a thì sẽ tăng độ lớn của góc tách phoi dẫn đến giảm lực cắt đơn vị, mặt khác khi tăng a thì không làm tăng chiều dài làm việc thực tế của lưỡi cắt một cách tuyến tính như khi tăng chiều rộng cắt b

Từ đồ thị ( log Pv – loga) có dạng tuyến tính, ta có thể xác định được số

Kết hợp cho thay đổi đồng thời chiều rộng cắt b và chiều dày cắt a, mối quan hệ giữa lực cắt Pv và b, a được viết như sau:

biến ở phạm vi tốc độ cao như ngày nay đang sử dụng thì nhận thấy rằng khi tăng tốc độ cắt v, lực cắt hầu như không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể Do vậy

để đơn gian trong công thức tính lực cắt ta thường bỏ qua yếu tố v

KPv= Kγ.Kφ KR.KΔ.Kl

với Kγ, K , KR, KΔ, Kl là các hệ số điều chỉnh liên quan đến góc trước, góc nghiêng chính lưỡi cắt, bán kính mũi dao, độ lớn mài mòn mặt sau dao và việc tưới dung dịch trơn nguội vào khu vực cắt

Tổng hợp ta có thể lập được phương trình kinh nghiệm tính lực cắt như sau:

Pv Y x Pv

V C t s K

P   Pv PV.Tương tự ta cũng nhận được phương trình tính các thành phần lực Ps và Pt có dạng như trên

Các giá trị hằng số lực cắt Cp, các số mũ xp, yp và các hệ số điều chỉnh K được cho trong các sổ tay tra cứu về cắt gọt

- Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt

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

sử dụng dung dịch trơn nguội thì lực cắt phải càng giảm rõ rệt nếu vật liệu gia công càng có độ dẻo cao Điều này được giải thích như sau: trong trường hợp này lực ma sát giữa dao và phoi tăng, do đó hiệu quả của việc sử dụng dung dịch trơn nguội càng phải cao

Trong thực tế sử dụng dung dịch trơn nguội trong mọi trường hợp (kể cả gia công tốc độ cao) có ưu điểm vì khi có dung dịch trơn nguội, dụng cụ cắt làm việc

êm hơn, tuổi bền dụng cụ cao hơn, ngoài ra độ chính xác và độ nhám bề mặt cũng được cải thiện đáng kể Qua thực tế thì khi ta sử dụng dung dịch trơn nguội thì cải

thiện rất nhiều trong quá trình gia công cắt gọt, cùng với một chế độ cắt nhưng gia công khô sẽ không mang lại các ưu điểm hơn khi có dung dịch trơn nguội Nó làm tăng tuổi thọ của dụng cụ cắt, giảm nhiệt độ trên phoi và dụng cụ, làm cho bề mặt chi tiết có độ bóng cao hơn và chi tiết luôn có lớp bề mặt bảo vệ chi tiết, hệ thống dao - phoi - máy làm việc êm hơn v v Ngoài ra khi sử dụng MQL là dầu lạc, Emusil nên không gây ảnh hưởng đến môi trường, sức khỏe của công nhân và không cần công đoạn tái chế sử dụng lại

1.2.4 Nhiệt cắt

1 Quá trình hình thành nhiệt khi tiện

Quá trình tạo phoi và thoát phoi khỏi vùng cắt trong quá trình cắt làm xuất hiện một lượng nhiệt nhất định Lương nhiệt này sinh ra do sự chuyển đổi từ công cắt gọt Thực nghiệm chứng tỏ rằng gần như tất cả công cần thiết trong quá trình cắt đều chuyển biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi và công kín (công để biến dạng mạng tinh thể và các bề mặt lớn) Khoảng gần 98% công này chuyển hoá thành nhiệt tổng cọng phát sinh sau một phút gia công và có thể tính theo công thức sau:

v - tốc độ cắt

Nhiệt lượng cắt được định nghĩa như là lượng nhiệt được sinh ra trong quá trình cắt sau một phút Đó chính là công suất nhiệt khi cắt Còn lượng nhiệt có trên một đơn vị thể tích hay khối lượng của vật thể được cắt gọi là nhiệt lượng đơn vị (Cal/cm3; Cal/g)

Nhiệt lượng sinh ra khi cắt làm nóng chi tiết gia công, phoi và dụng cụ cắt Nhiệt độ tại các điểm khác nhau có sự tác động của lượng nhiệt khác nhau và gọi là nhiệt độ cắt tức thời của các điểm khối lượng khảo sát trong vùng cắt Trung bình cọng đại số của nhiệt độ các điểm khối lượng của phoi gọi là nhiệt độ trung bình của phoi Tương tự ta có nhiệt độ trung bình của dụng cụ và chi tiết gia công Nhiệt

độ trung bình trên các bề mặt tiếp xúc của vật liệu gia côngvà vật liệu cắt gọi là nhiệt độ cắt, qui ước gọi tắt là nhiệt cắt

- Nguồn gốc của nhiệt cắt

Nhƣ trên đã phân tích rõ ràng để tách đƣợc phoi và thắng đƣợc ma sát khi cắt ta cần có lực cần thiết tác động vào chi tiết gia công tạo ra công cắt gọt và gần nhƣ hầu hết công này chuyển biến thành nhiệt Công này chính là để thực hiện quá trình biến dạng và thắng ma sát khi cắt Do vậy ta có thể nói rằng; nguồn gốc của nhiệt cắt là biến dạng và ma sát khia cắt

Qcg = Qbd + Qms (1.2) Khi gia công cắt gọt ta có thể phân định vùng cắt thành các vùng biến dạng và ma sát Do vậy nhiệt sinh ra từ 4 nguồn:

vc1 vận tốc trƣợt

Hình 1.5 Nguồn gốc và sự phân bố lực cắt

+ Vùng tiếp xúc của phoi và mặt trước dao

Nhiệt sinh ra do công biến dạng đàn hồi và ma sát ngoài: Qdm

Lượng nhiệt xuất hiện trên mặt trước dao là do 2 nguồn: do tác dụng của lực ma sát trong ở lớp vật liệu phoi gần sát mặt trước kháng lại biến dạng đàn hồi và lực ma sát ngoài trên mặt tiếp xúc

+ Vùng tiếp xúc của mặt sau dao và mặt cắt của chi tiết gia công

Nhiệt sinh ra do sự chuyển đổi công ma sát: Qms

+ Nhiệt sinh ra do công đứt phoi: Qdp

2 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt khi tiện

Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt thường được nghiên cứu theo 3 quan điểm:

- Theo độ chính xác gia công

- Theo chất lượng bề mặt đã gia công

- Theo khả năng cắt của dao

a) Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công

Độ chính xác gia công khi cắt gọt được quyết định bởi vị trí tương quan giữa dao và chi tiết gia công trong quá trình cắt Do vậy sự biến dạng về nhiệt của dao và chi tiết gia công do ảnh hưởng của nhiệt khi cắt được quan tâm khảo sát

Về quá trình trao đổi nhiệt, ta biết rằng nếu cung cấp một lượng nhiệt Q cho một vật có thể tích V (cm3), tỷ nhiệt c (J/kg.0K), khối lượng riêng (kg/cm3), thì độ tăng của nhiệt độ của vật thể được xác định:

V c

D

D.

 ( mm ) (1.6)

Mặt khác, nhiệt lượng Qd truyền vào dụng cụ cũng sẽ làm cho dụng cụ tăng chiều dài về phía tâm chi tiết Khác với chi tiết, vật liệu trên dao là không đồng nhất giữa phần cắt và phần cán dao, do vậy sự biến dạng của dao theo chiều dài dưới tác dụng của nhiệt cắt phức tạp hơn rất nhiều Ở đây ta phải khảo sát biến dạng dài của dao trong mối quan hệ phức hợp:

) , , , , , (L F v s t f

( D L D

D t       (1.8)

b) Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dao

Những kết quả nghiên cứu về cắt gọt cho thấy rằng khi cắt kim loại, đặc biệt khi cắt ở tốc độ cao thì yếu tố quyết định lớn nhất đến khả năng cắt của dao đó là nhiệt cắt, tiếp đến mới là ma sát

Khả năng cắt gọt của dao được đánh gía bởi tuổi bền dao thông qua việc xác định độ lớn của các dạng mài mòn dao cụ thể Dưới tác dụng của nhiệt khi cắt vật liệu của dao sẽ có sự thay đổi về tính chất cơ - lý - hoá, đặc biệt độ cứng, độ bền giảm, tính chống mòn cũng giảm dẫn đến mài mòn dao nhanh chóng, hậu quả là thời gian sử dụng dao vào cắt gọt cũng bị rút ngắn đi, dao nhanh chóng mất khả năng cắt gọt

c) Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt đã gia công của chi tiết được đặc trưng bởi độ nhấp nhô

bề mặt và tính chất cơ - lý lớp sát bề mặt Nhiệt cắt có ảnh hưởng chủ yếu đến sự thay đổi tính chất cơ - lý lớp bề mặt chi tiết gia công Ta biết rằng, khi kim loại bị đốt nóng đến một nhiệt độ nào đó thi tổ chức kim tương của chúng sẽ thay đổi Sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi về cơ - lý tính của kim loại Mặt khác, trong quá trình cắt sự tăng giảm đột ngột về nhiệt độ trên bề mặt gia công kết hợp với sự dao động của lực cắt sẽ tạo nên ứng suất dư và vết nứt tế vi trên lớp kim loại sát trên bề

mặt, đồng thời trên đó kim loại cũng bị biến cứng hay hoá bền Nói chung các ảnh hưởng này đều theo chiều hướng bất lợi cho yêu cầu về cắt gọt

Tóm lại, nhiệt cắt ngoài ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng lớp bề mặt gia công và khả năng cắt gọt của dao, còn ảnh hưởng đáng kể đến máy và đồ gá trong hệ thống công nghệ

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt khi tiện

a) Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt khi tiện

Các tính chất về cơ học và nhiệt của vật liệu gia công có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt cắt Nhiệt cắt thấp hơn khi gia công hợp kim so với khi gia công thép nhờ khả năng biến dạng nhỏ hơn của hợp kim

Có thể nhận xét một cách tổng quát rằng khi cắt vật liệu giòn do công biến dạng rất

bé và lực cắt đơn vị không đáng kể nên nhiệt cắt thấp hơn khi cắt vật liệu dẻo Độ cứng và độ bền của vật liệu gia công càng lớn thì nhiệt cắt càng lớn do có quan hệ với công biến dạng Nhiệt cắt cơ bản phụ thuộc vào nhiệt dung và đặc biệt phụ thuộc vào tính chất dẫn nhiệt của vật liệu gia công và vật liệu làm dao Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt trong điều kiện thí nghiệm cắt với a=1mm, b=1mm và v=1m/ph được biểu thị bằng hằng số thực nghiệm Cθ

b) Ảnh hưởng của vật liệu làm dao đến nhiệt cắt khi tiện

Vật liệu làm dao cũng có đặc tính tương tự như vật liệu chi tiết gia công Loại vật liệu dao nào có tính dẫn nhiệt tốt thì khi cắt nhiệt cắt sẽ thấp và ngược lại Yếu tố quyết định của dao về cao thấp của nhiệt cắt sinh ra là cấu trúc thành phần hoá học của vật liệu xác định tính tương đồng hoá học của nó với vật liệu gia công, mặt khác là lý tính của nó như tính dẫn nhiệt và hệ số ma sát Ảnh hưởng của tính dẫn nhiệt sẽ tăng khi tăng tốc độ cắt, giảm góc cắt, giảm chiều dày phoi Với tốc độ cắt thấp thì ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt nhỏ Kích thước thân dao cũng có ảnh hưởng như vậy đến nhiệt cắt vì nó ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt của dụng cụ cắt Kích thước càng lớn thì nhiệt sinh ra khi cắt càng thấp

c) Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhiệt cắt khi tiện

Hình 1.6 Quan hệ giữa θ và v Trong các yếu tố cắt thì tốc độ cắt là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt cắt Khi tăng tốc độ cắt thì nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đã đạt được độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại và đường cong của hàm số phụ thuộc θ = f(v) gần tiệm cận với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công

Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt và tốc độ cắt theo công thức sau:   x

v v

C

Giá trị số mũ xθ phụ tuộc vào vật liệu gia công và vùng vận tốc cắt

Khi v =15-45 m/ph thì xθ = 0,5 đối với gia công thép

và xθ = 0,35-0,45 đối với gia công gang

Khi v = 45-180 m/ph thì xθ = 0,23 đối với gia công thép

và xθ = 0,18 đối với gia công gang

d) Ảnh hưởng của chiều dày cắt đến nhiệt cắt khi tiện

Khi tăng lượng chạy dao (cũng như tăng a) áp lực của phoi trên dao tăng, công

ma sát trên mặt trước tăng, nhiệt cắt ở vùng biến dạng bậc nhất tăng, tuy nhiên hệ số

co rút phoi giảm, tổng công biến dạng cho một đơn vị thể tích giảm, điều kiện truyền nhiệt tốt hơn vì chiều dày phoi lớn lên và diện tích tiếp xúc giữa dao và phoi được mở rộng, nhiệt cắt vì vậy có tăng nhưng không tăng nhanh như khi tăng tốc độ cắt

Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt và chiều dày cắt theo công thức sau:   x

v a

C



Hình 1.7 Quan hệ giữa chiều dày cắt và nhiệt cắt Chiều dày cắt ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn so với vận tốc cắt Khi tăng chiều dày a hay lượng chạy dao s thì nhiệt cắt tăng nhưng không phải tăng tuyến tính

Giá trị trung bình của số mũ yθ từ thực nghiệm:

Đối với thép: yθ = 0,3; gang: yθ = 0,2

e) Ảnh hưởng của chiều rộng cắt đến nhiệt cắt khi tiện

Chiều rộng cắt b (hay chiều sâu cắt t) có ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn so với lượng chạy dao

Hình 1.8 Quan hệ giữa nhiệt cắt với b

Khi tăng chiều sâu cắt, một mặt tải trọng trên một đơn vị chiều dài lưỡi cắt không đổi, mặt khác khi tăng t do φ không đổi nên chiều dài phần làm việc của lưỡi cắt tuy có tăng nhưng điều kiện truyền nhiệt tốt hơn Kết quả là nhiệt cắt thay đổi ít

Từ kết quả thực nghiệm ta thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt θ và chiều rộng cắt b như sau:

đối với gang: zθ = 0,04

f) Ảnh hưởng của các thông số hình học của dao đến lực cắt khi tiện

Góc nghiêng chính φ, bán kính mũi dao R cũng ảnh hưởng tới độ lớn của

nhiệt cắt, ta dễ dàng nhận biết qua sự thay đổi của chiều dày cắt a và chiều rộng cắt

b dẫn đến sự thay đổi mức độ biến dạng và khả năng tản nhiệt

Để đặc trưng các ảnh hương này đến nhiệt cắt ta dùng các hệ số điều chỉnh nhiệt cắt

Kφθ và KRθ

Ngoài ra sự mài mòn của dụng cụ làm thay đổi hình dáng hình học phần cắt

và góc độ dao cũng làm cho nhiệt cắt thay đổi Nói chung dụng cụ càng bị mòn thì nhiệt cắt tăng Dung dịch trơn nguội tưới vào vung cắt khi cắt sẽ làm cho nhiệt cắt giảm nhanh vì ngoài tác dụng làm nguội, dung dịch còn có tác dụng bôi trơn giảm đáng kể ma sát trong quá trình cắt Tuy nhiên cần phải chọn phương pháp và lưu lương tưới phù hợp thì mới tăng hiệu quả giảm nhiệt

4 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt

Dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng rất lớn tới nhiệt cắt Dung dịch trơn nguội

có tác dụng:

- Giảm ma sát trong vùng tạo phoi, giảm ma sát giữa phoi với mặt trước của dao, giữa phôi với mặt sau của dao do đó sẽ làm giảm nhiệt cắt

- Tải nhiệt ra khỏi vùng cắt, hạn chế tác dụng xấu của nhiệt độ đối với dụng

cụ cắt Đảm bảo nhiệt độ làm việc của môi trường thấp và ổn định Giúp vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng

1.2.5 Mòn dụng cụ cắt

Trong quá trình cắt, phoi cắt chuyển động trượt và ma sát trên mặt trước dao, mặt đang gia công của chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao trong điều

kiện áp lực lớn, nhiệt độ cao, ma sát khốc liệt và liên tục gây nên hiện tượng mài mòn dao Mài mòn dao là một quá trình phức tạp, xảy ra theo các hiện tượng cơ lý hoá ở các bề mặt tiếp xúc giữa phoi, chi tiết với dụng cụ gia công Khi bị mài mòn, hình dạng và thông số hình học phần cắt dao thay đổi gây nên những hiện tượng vất

lý có ảnh hưởng xấu đến quá trình cắt và chất lượng bề mặt gia công Do đặc điểm của quá trình cắt phức tạp nên khác với mài mòn trên các chi tiết máy bình thường, mài mòn dao có nhiều dạng khác nhau

1 Các dạng mài mòn dao

Phần cắt dao trong quá trình cắt thường bị mài mòn theo các dạng sau:

Hình 1.9 Các dạng mài mòn của dung cụ cắt

a) Mài mòn theo mặt sau:

Được đặc trưng bởi một lớp vật liệu dao bị tách khỏi mặt sau trong quá trình

cắt và được đánh giá bởi chiều cao mòn hs Mài mòn mặt sau thường xảy ra khi gia công với chiều dày cắt nhỏ, đối với các loại vật liệu gia công giòn Kết quả giảm góc sau , tăng sự tiếp xúc giữa mặt sau dao và bề mặt đang gia công, tăng mức độ

ma sát

b) Mài mòn theo mặt trước

Một lớp vật liệu trên mặt trước dao bị tách đi dẫn đến góc trước dao âm, tăng biến dạng và tăng tải trọng

+ Mài mòn Crater

Trong quá trình cắt, phoi trượt liên tục trên mặt trước hình thành một trung tâm áp lực cách lưỡi cắt một khoảng nào đó nên mặt trước bị mòn theo dạng lưỡi liềm (Crater) Vết lõm lưỡi liềm thường xảy ra dọc theo lưỡi cắt và được đánh giá bởi chiều rộng B, chiều sâu ht và khoảng cách từ lưỡi dao đến vết lõm KT theo mặt trước Dạng mài mòn này thường xảy ra khi cắt vật liệu dẻo với chiều dày cắt a lớn (a>0,6mm) dẫn đến góc tăng lên, phoi dễ thoá ra nhưng sẽ làm yếu dần lưỡi dao

Hình 1.11 Mài mòn Crater

+ Mài cùn lưỡi cắt

Dao bị mòn dọc theo lưỡi cắt tạo thành dạng cung hình trụ có bán kính đo theo mặt vuông góc lưỡi cắt Dạng mòn này thường gặp khi gia công các loại vật liệu có tính dẫn nhiệt kém, nhiệt cắt tập trung tại lưỡi cắt nên bị tù nhanh dẫn đến dao không tách được phoi mà bị trượt

c) Mài mòn mũi dao

Phân kim loại ở mũi dao bị mất dần đi hình thành nên bán kính mũi dao R Dạng mài mòn này sẽ làm biến đổi vị trí tiếp xúc giữa dao và chi tiết dẫn đến thay đổi kích thước gia công