NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾN NHIỆT CẮTKHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC.LUẬN VĂN THẠC SĨ

Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoiKms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao θ : góc trượt r: bán kính mũi dao γ hay γn : góc trước của dao S: lượng c

NGUYỄN LÊ MINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾN NHIỆT CẮT

KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 60.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đà Nẵng - Năm 2017

NGUYỄN LÊ MINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾN NHIỆT

CẮT KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Xuân Tùy

Phản biện 1: TS Lưu Đức Bình

Phản biện 2: PGS.TS Phạm Đăng Phước

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹthuật Cơ khí (K31.KCK) họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 29 tháng

07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

NGUYỄN LÊ MINH

TÓM TẮT: iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Phạm vi và nội dung nghiên cứu 1

4 Đối tượng nghiên cứu 1

5 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3

1.2 Bản chất vật lý của quá trình cắt 4

1.2.1 Bản chất vật lý 4

1.2.2 Quá trình cắt và tạo phoi 4

1.2.3 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng 10

1.3 Nhiệt cắt 12

1.3.1 Khái niệm chung 12

1.3.2 Trường nhiệt độ 17

1.3.3 Quá trình phát sinh nhiệt 19

1.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt 23

1.4 Các phương pháp xác định nhiệt cắt 25

1.4.1 Đo nhiệt cắt thông qua đo nhiệt lượng phoi cắt .25

1.4.2 Đo nhiệt cắt dựa theo nguyên lý pin nhiệt điện (cặp ngẫu nhiệt) 26

1.4.3 Đo nhiệt cắt theo nguyên lý quang học 30

1.5 Kết luận 31

2.1.2 Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm 34

2.1.3 Trình tự thực hiện thiết kế thực nghiệm 35

2.1.4 Đại lượng ngẫu nghiên 36

2.1.5 Xác định mô hình toán thực nghiệm 37

2.1.6 Kiểm tra mô hình toán thực nghiệm 42

2.2 Phần mềm MATLAB 44

2.2.1 Giới thiệu MATLAB 44

2.2.2 Đa thức trong MATLAB 50

2.2.3 Nội suy 51

2.3 Kết luận 52

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 53

3.1 Thiết bị và dụng cụ 53

3.1.1 Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm 53

3.1.2 Mô hình thí nghiệm 53

3.1.3 Thiết bị thí nghiệm 53

3.2 Trình tự thí nghiệm 60

3.2.1 Chế độ cắt 61

3.3 Kết quả 62

3.3.1 Kết quả đo 62

3.3.2 Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai 62

3.4 Thiết lập phương trình 63

3.4.1 Lập phương trình bằng MATLAB 63

3.4.2 Vẽ đồ thị 64

3.5 Xây dựng công cụ hỗ trợ vẽ đồ thị và thiết lập công thức 64

3.6 Kết luận 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

PHỤ LỤC 70

Học viên: Nguyễn Lê Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 60.52.01.03 Khóa: K31 Trường Đại học Bách khoa – ĐH

ĐN

Tóm tắt - “Nhiệt cắt” là một trong những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi

bền của dụng cụ cắt, độ chính xác gia công, và chất lượng bề mặt gia công Có 4

nhân tố chính ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt cắt là “ Vận tốc cắt” , “Vật liệu dụng

cụ cắt và vật liệu gia công”, “Thông số hình học của dụng cụ cắt” và “Dung dịch trơn nguội” Trong đó “vận tốc cắt” có ảnh hưởng lớn nhất và cũng là thông số

có thể thay đổi dễ dàng nhất

Việc nghiên cứu “Nhiệt” sinh ra trong quá trình cắt gọt kim loại mang ý nghĩa

lớn cả về mặt lý thuyết lẫn thực tế và được áp dụng trong việc tính tuổi bền dụng

cụ cắt, độ chính xác gia công về kích thước hình học và chất lượng bề mặt chitiết

Đề tài giới thiệu phương pháp đo nhiệt cắt khi gia công tiện chi tiết thép C45

bằng dụng cụ dụ đo nhiệt trên đầu mũi cắt “Turning Dynamometer DKM 2010”

và “Temperature measurement on tool tip : "TAD" ” của hãng TeLC Từ số liệu

đo được, tác giả tiến hành xử lý số liệu bằng phương pháp bình phương bé nhất,với công cụ Fitting Curve của Matlab để tìm ra phương trình hồi quy mô tả mỗiquan hệ giữa vận tốc cắt VC và nhiệt cắt Kết quả của đề tài là công thức thựcnghiệm về mối quan hệ giữa vận tốc cắt với nhiệt cắt trong một điều kiện thựcnghiệm cụ thể

Từ khóa - Nhiệt cắt, vận tốc cắt, tiện, thép C45, ảnh hưởng

INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE CUTTING SPEED ON THE CUTTING TEMPERATURE WHEN MACHINING ON THE

LATHE CNC MACHINE.

Abstract - The cutting temperature is one of the factors has large effect on the

duration of cutting tools, the accurate of process and the quality of component’ssurface There are four main factors which directly effect on the cuttingtemperature, namely: the cutting speed, the material of cutting tool andcomponent, the configuration of cutting tool, and the cutting compound Among

play an important role on both theory and practice This study also can be applied

on the calculation of the cutting tool duration, the accurate of the manufacturingincluding the dimension and the surface quality

This thesis introduces the methodology of cutting temperature measurementusing the turning dynamometer DKM 2010 device and the temperaturemeasurement on tool tip: "TAD" of the TeLC Company when the C45-component is manufactured on the lathe machine Based on the experimentaldata, author found the recurrence equations which present the relationship

between the cutting speed Vc and the cutting temperature by using the fitting

curve toolbox in MATLAB The result of this thesis is the experimentalformulation of the relation between the cutting speed and the cutting temperature

in a concrete experimental condition

Key words - Cutting temperature, cutting speed, turning, AISI 1054, effect.

Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao

θ : góc trượt

r: bán kính mũi dao

γ (hay γn) : góc trước của dao

S: lượng chạy dao (mm/vòng)

t: chiều sâu cắt (mm)

V: vận tốc cắt (m/phút)

Q: tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt

QAB= Q1: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt

QAC= Q2: nhiệt sinh ra trên mặt trước

QAD= Q3: nhiệt sinh ra trên mặt sau

Qphoi: nhiệt truyền vào phoi

Qdao: nhiệt truyền vào dao

Qmôi trường : nhiệt truyền vào môi trường

Qphôi: nhiệt truyền vào phôi

As: diện tích của mặt phẳng cắt

Vs: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt

kt: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công

β: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi

c: nhiệt dung riêng

ρ: tỷ trọng của vật liệu

RT: hệ số nhiệt khi cắt

Ф: góc tạo p hoi

γm: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước

δt : chiều dày của vùng biến dạng thứ hai

Bảng 1.3 Tính chất cơ - nhiệt của một số vật liệu dụng cụ phủ 15

Bảng 3.1 Thông số máy Emco Concept Turn 250 54

Bảng 3.2: Thống kê thành phần hóa học mác thép 57

Bảng 3.3: Tính chất cơ học trong điều kiện thường, tôi luyện và nhiệt đô 57

Bảng 3.4: Cơ tính và độ cứngcủa thép Cacbon kết cấu chất lượng tốt 58

Bảng 3.5: Tốc độ quay trục chính lựa chọn 61

Bảng 3.6: Vận tốc cắt theo tốc độ vòng quay 61

Bảng 3.7: Bảng kết quả đo 62

Bảng 3.8: Bảng tính phương sai 62

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau 7

Hình 1.4: Tính góc trượt θ 8

Hình 1.5: Quan hệ giũa vận tốc cắt và biến dạng phoi 9

Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao và biến dạng phoi 10

Hình 1.7: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với V=100m/phút; s=0.1mm/vòng; t=1mm; môi trường cắt khô 11

Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi và vận tốc cắt 12

Hình 1.9 (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt (b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại 16

Hình 1.10: Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường phụ thuộc vào vận tốc cắt 17

Hình 1.11: Trường nhiệt độ khi tiện 18

Hình 1.12: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi - dụng cụ 19

Hình 1.13: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi 20

Hình 1.14: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn 22

Hình 1.15: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt độ cắt 23

Hình 1.16: Phương pháp đo nhiệt lượng phoi cắt 26

Hình 1.17: Cặp ngẫu nhiệt (pin nhiệt điện) 27

Hình 1.18: Sơ đồ đo nhiệt cắt bằng pin nhân tạo 27

Hình 1.19: Đo nhiệt cắt bằng pin bán nhân tạo 28

Hình 1.20: Đo nhiệt cắt bằng pin tự nhiên 1 dao 29

Hình 1.21: Hiện tượng ngẫu nhiệt ký sinh 29

Hình 1.22: Đo nhiệt cắt bằng pin tự nhiên 2 dao 30

Hình 1.23: Đo nhiệt cắt theo nguyên lý quang học 30

Hình 1.24: Sơ đồ mạch điện để đo nhiệt cắt bằng tế bào quang 31

Hình 1.25: Phương pháp chụp ảnh 31

Hình 1.26: Phương pháp đo nhiệt bằng tia lazer 31

Hình 2.1: Mô hình hóa các quá trình, đối tượng nghiên cứu 33

Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm 53

Hình 3.2: Máy tiện CNC 3 trục – Emco Concept Turn 250 54

Hình 3.3: Hộp mảnh dao 55

Hình 3.4: Mảnh dao Atom CCMT 09T304-WP HC6620 56

Hình 3.8: Màn hình hiển thị 59

Hình 3.9: Lắp thiết bị đo và hiệu chỉnh mũi dao vào phạm vi đo 60

Hình 3.10: Hiệu chỉnh tiêu cự của thiết bị đo dựa vào đèn báo 60

Hình 3.11: Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt 64

Hình 3.12: Nhập kết quả vào excel 65

Hình 3.13: Phần mềm công cụ hỗ trợ xác định hàm mục tiêu của mô hình thực nghiệm 65

Hình 3.14: Kết quả thu được từ phần mềm công cụ 66

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Ngày nay việc sử dụng máy CNC trong sản xuất đã ngày một phổ biến Việcnâng cao hiệu quả kinh tế và năng suất của máy CNC đã trở thành một vấn đềthiết yếu Vì vậy nghiên cứu phương pháp tăng tuổi bền của dụng cụ cắt(DCC),

độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công là một trong những yếu tố nhằm tăngcao năng suất và hiệu quả kinh tế của máy CNC trong quá trình gia công, sảnxuất

Thực tế cho thấy rằng nhiệt cắt là một trong những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp

đến tuổi bền của dụng cụ cắt (DCC), độ chính xác gia công, và chất lượng bề mặt

gia công Nhiệt cắt thay đổi rõ rệt dưới ảnh hưởng của 4 nhân tố chính là “ Vận tốc cắt” , “Vật liệu DCC và vật liệu gia công”, “Thông số hình học của DCC” và

“Dung dịch trơn nguội”.

Nhưng dưới sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật trong sản xuất, đểgiải quyết vấn đề công nghệ, khi gia công trên máy CNC, một trong những yêu

cầu quan trọng được đặt ra là “ vận tốc cắt” cần được chú trọng, tính toán và lựa

chọn hợp lý khi gia công để đảm bảo tăng năng suất, nâng cao chất lượ ng, độchính xác của chi tiết,…

Chính vì vậy “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾNNHIỆT CẮT KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC” đã được chọn làm đềtài luận văn cao học

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm từ đó xác định quy luật ảnh hưởng của vận tốc độ cắtđến nhiệt cắt khi gia công trên máy tiện CNC EMCO CONCEPT TURN 250 tạiViện công nghệ Cơ khí và tự động hóa – trườngĐại học Bách khoa Đà Nẵ ng

3 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng củ a vận tốc cắt đến nhiệt cắt khi gia

công trên máy tiện CNC EMCO CONCEPT TURN 250 tại Viện công nghệ Cơkhí và Tự động hóa - trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Nội đung nghiên c ứu: Nghiên cứu lý thuyết cơ sở cắt gọt kim loại và nhiệt cắt.

Nghiên cứu cở sở công nghệ gia công trên máy tiện CNC Tìm hiểu máy tiệnCNC TURN 250 tại Viện công nghệ Cơ khí và Tự động hóa

Xây dựng mô hình mô tả ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt khi tiện

4 Đối tượng nghiên cứu

Phương pháp gia công: Tiện mặt trụ trên máy tiện CNC TURN 250

Vật liệu gia công: Thép C 45

Phương pháp đo: Sử dụng cảm biến nhiệt độ đo bức xạ.

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm

Trong đó có nghiên cứu lý thuyết cơ sở cắt gọt kim loại, cơ sở kỹ thuật máy CNC

và nhiệt cắt

Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt khi tiện trênmáy CNC thông qua đo đạc và xử lý số liệu bằng phương pháp quy hoạch thựcnghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Gia công kim loại bằng Tiện là phương pháp gia công có từ lâu đời vàđược sử dụng rộng rãi trong thực tê sản xuất của ngành chế tạo máy Máy tiện làlọai máy cắt kim lọai được dùng rộng rãi nhất để gia công các chi tiết tròn xoay,các chi tiết định hình, máy tiện chiếm khỏang 40% - 50% số lượng máy cắt kimlọai trong phân xưởng cơ khí, với nhiều chủng lọai và kích thước khác nhau T rảiqua một thời gian dài phát triển, nhiều loại máy tiện khác nhau được nghiên cứu,chế tạo và sử dụng ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Đức, Nhật, Anh, Pháp.Những nước công nghiệp tiên tiến này cung cấp chủ yếu máy tiện cho toàn thếgiới

Lý thuyết cắt gọt kim loại đi sâu nghiên cứu về quá trình tạo phôi, các lực phátsinh trong quá trình gia công bằng cơ giới, công suất của thiết bị, chất lượng sảnphẩm khi gia công, những đại lượng này rất cần thiết, chúng làm cơ sở cho việclựa chọn hình dáng, tính toán kích thước của công cụ cắt, tính toán, thiết kế và sửdụng hợp lý các thiết bị và công cụ gia công Nhiều công trình khoa học trongviệc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt kim loại phải kể đến là các nhà báchọc Xô Viết như giáo sư I.A Time, K.I.Zvorưkin, G.C.Andrev, V.F.Bobrov,C.H.Philomenko Các nhà bác học Mỹ như O.W.Boston, Merchant.M.E,

Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết cắt gọt kim loại ngày càng được hoànchỉnh với những công trình nghiên cứu mới về lực phát sinh trong quá trình giacông kim loại bằng cơ học

Một số nghiên cứu được công bố:

“Dự báo nhiệt độ và nhiệt độ trong cắt kim loại: Xem xét và gợi ý cho việc gia

công tốc độ cao” tác giả N.A Abukhshim*, P.T Mativenga, M.A Sheikh

-Trường Cơ khí, Không gian vũ trụ và Xây dựng, Đại học Manchester,

Xác định nhiệt độ tối đa trong quá trình gia công quá trình và phân phối của nó

dọc theo bề mặt rake có tầm quan trọng lớn vì nó ảnh hưởng đến công cụ cuộcsống và chất lượng của một phần gia công Trong công việc hiện tại, rất nhiều

phương pháp đã đượ c thảo luận để tiếp cận vấn đề phân bố nhiệt độ như thí

nghiệm, phân tích và phân tích số Ngoài ra, các kỹ thuật đo nhiệt độ được sửdụng trong cắt kim loại được xem xét một cách ngắn gọn Hơn nữa, một nỗ lực

đã được thực hiện để phát triển mô hình phân tích nhiệt để xác định nhiệt độ

trong quá trình cắt Được phát triển bằng cách sử dụng phần mềm MATLAB vàkết quả tạo ra sẽ được so sánh với công việc thực tế, cho các phôi và điều kiệncắt khác nhau

“Mô hình hoá về nhiệt độ trong quá trình cắt kim loại “ tác giả Lathiya

Dharmesh kumar - Khoa Cơ khí - Đại học Công nghệ Laxmi Narain, Bhopal, Ấn

Độ và Viswakarma Ajay - Trợ lý Giáo sư - Khoa Cơ khí - Đại học Công nghệ

Laxmi Narain, Bhopal, Ấn Độ

Nghiên cứu quá trình gọt kim loại theo hướng kết hợp lý thuyết với thựcnghiệm đã được các nhà khoa học trên thế giới tiến hành như: M.P.Semko,E.M.Trent, I.A.Isaevui, Nga, Tiệp Khắc cũ, Pháp, Nhật, Ấn Độ… với những kếtluận quan trọng về các sơ đồ động học, sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tớinhiệt cắt

Ở Việt Nam, Mặc dù đã có các công trình nghiên cứu để ảnh hưởng củavận tốc cắt đến nhiệt cắt trong gia công kim loại Nhưng do tình hình phát triệnnhanh chóng của ngành chế tạo máy thế giới nói chung và trong nước nói riêng,khả năng công nghệ, độ chính xác, công suất của các loại máy công cụ càng đượcđược nâng cao, các dụng cụ cắt ngày càng được nâng cấp bằng các loại vật liệungày càng tiên tiến, yêu cầu chất lượng gia công kim loại đòi hỏi ngày càng cao,nên nước ta vẫn có nhiều công trình nghiên cứu về lý thuyết cắt gọt, cũng nhưnghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt cũng đã được công bố Trong

số các nghiên cứu về máy tiện và quá trình gia công kim loại trên máy

Tóm lại có nhiều công trình nghiên cứu đã xây dựng được qui luật ảnhhưởng của các yếu tố đầu vào như chế độ cắt, loại dung dịch chất bôi trơn, vậtliệu gia công, dụng cụ cắt đến tuổi bền dụng cụ, chất lượng gia công hay, lực cắt

và nhiệt cắt khi tiện… Từ đó xác định được chế độ cắt hợp lý, xác định được loạidung dịch bôi trơn h ợp lý để tối ưu quá trình gia công kim loại Kết quả nghiêncứu của các đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu, các nhàquản lý sản xuất khi nghiên cứu, sử dụng máy tiện Song quá trình cắt có nhiềuyếu tố ảnh hưởng đến lực cắt và chất lượng sản phẩm, các công trình nghiên cứutrình bầy ở trên cũng mới chỉ nghiên cứu được một số yếu tố cho một số trườnghợp cụ thể, do vậy còn nhiều yếu tố khác, trong các trường hợp tiện khác chưađược nghiên cứu

1.2 Bản chất vật lý của quá trình cắt

1.2.1 Bản chất vật lý

Trong quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượng vật lý xảyra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng, biến dạngphoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến công tiêu hao trong quátrình cắt gọt, độ mòn của dụng cụ cắt, chất lượng của chi tiết gia công

1.2.2 Quá trình cắt và tạo phoi

Quá trình cắt kim loại là quá trình lấy đi một lớp phoi trên bề mặt gia công để cóchi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu

Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động :

- Chuyển động cắt chính (Chuyển động làm việc) : Với tiện đó là chuyện độngquay tròn của phôi

- Chuyển động chạy dao: Đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo phoi liêntục trong suốt quá trình cắt Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của dao khitiện mặt trụ [1].

Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra tronglớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công

Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp kimloại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy (hình1.1)

Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi

Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động bao gồm :

- Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao đượcgiới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi Dưới tác dụng củalực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo Khi ứngsuất do lực tác động gây ra vượt quá giớ i hạn bền của kim loại thì xuấthiện hiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE) Trong quátrình cắt, vùng phoi một luôn di chuyển cùng với dao

- Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao

- Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao

- Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏ i phôi để hình thànhphoi

Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ chức hạt làkhác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như kh ông xảy ra Quá trình bóctách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động

Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số củacông cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của dao (tuổi thọ củadụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tạophoi

Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 1.1), dao bắt đầu nén vật liệu gia công theomặt trước Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biếndạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo

và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiềudày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao

Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi biến thànhphoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất định, nghĩa làgiữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng Khu vực này được gọi

là miền tạo phoi (hình 1.2)

Hình 1.2: Miền tạo phoi

Trong miền này (như sơ đồ hoá hình 1.1) có những mặt trượt OA,OB,OC,OD,OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt có ứngsuất tiếp có giá trị cực đại)

Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh nhữngbiến dạng dẻo đầu tiên, đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo và đường AE -đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi

Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao

Ngoài ra l ớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi, khi dichuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt trước của dao.Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hình 1.1) chịubiến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía t rên Mức độ biến dạng của chúngthường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài ra theo một hướngnhất định, tạo thành têch tua

Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều Mức độ biến dạng của phoi:

f bd ms

Ở đây:

- Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

- Kmslà mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao

Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm phía dướiđường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo

Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công vàđiều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…)

Vận tốc cắt có ảnh hưởng có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi.Tăng vận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại Hiện tượng đó có thế được giảithích như sau :

Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với tốc độnhanh hơn Khi di chuyển với vận tốc lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ đi ngangqua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra theo đường

OA mà chậm đi một thời gian theo đường OA’ Tương tự như vậy, nơi kết thúcquá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’ chậm hơn so với OE(hình 1.3)

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau

Như vậy ở vận tốc cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’; A’OE’ quay đi một góctheo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so với trước(a’1< a1) vì biến dạng dẻo giảm đi

Khi vận tốc cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng của nó chỉvào khoảng vài phần trăm milimet Trong trường hợp đó sự biến dạng của vậtliệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF Do đó để cho đơn giản, ta cóthể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt xảy ra ngay trên mặtphẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động của dao một góc bằngθ

Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc θ gọi là góc trượt

Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng dẻo trongmiền tạo phoi

tg K

Như vậy góc trượt θ phụ thuộc vào γ và tỉ số K

Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thay đổi so vớikích thước của lớp kim loại sinh ra nó Đại lượng K đặc trưng cho sự biến dạngxảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn Trong cắt gọtngười ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó công tiêu hao trong quátrình c ắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao Thực nghiệm chothấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5

Hình 1.5: Quan hệ giũa vận tốc cắt và biến dạng phoi

Khi Vctăng từ V1đến V2biến dạng của phoi giảm

Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng, biến dạngcủa phoi tăng Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm tăng góctrước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ dàng hơn biếndạng của phoi giảm và đạt gia trị cực tiểu tại B ứng với Vc = V2 (tại đây chiềucao lẹo dao lớn nhất)

Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn

Khi Vctăng từ V2÷ V3biến dạng của phoi tăng

Trong vùng vận tốc cắt này khi V c tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đến góctrước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng Khi Vc tăng, hệ số ma sátgiảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm Kết hợp hai ảnh hưởng này, ảnhhưởng của lẹo dao lớ n hơn nên khi Vctăng biến dạng của phoi tăng và đạt giá trịcực đại khi Vc= V3(tại đây lẹo dao mất hẳn)

Khi Vc > V3 : lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rất cao làmcho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi vàmặt trước giảm, K giảm

Khi Vc> 200 ÷ 300 m/phút hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng củaphoi hầu như không thay đổi

Các giá trị V1, V2, V3phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao, phôi,thông số hình học của dụng cụ cắt

Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăng chiều dàytrung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham gia cắt tăng,phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của chúng trên cungcong (phương thoát phoi xem như th ẳng góc với lưỡi cắt) làm cho biến dạng củaphoi tăng hình 1.6

Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao và biến dạng phoi

1.2.3 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng

Trong tiện cứng, quá trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất phức tạp,chủ yếu do độ cứng của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải phá p tốt nhất vẫn

là sử dụng mảnh dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt… đặc biệt cao Tiêu biểucho nhóm này là các mảnh CBN, PCBN …

Poulachon và đồng nghiệp [8] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạo phoi lýthuyết khi gia công thép tôi

- Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn đến

sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi

- Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳ trên bềmặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt

Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép 100Cr6trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt

Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt giảm khităng độ cứng trong dải này Điều này được giải thích là khi độ cứng của vật liệugia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm độ bền của vậtliệu gia công dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếp xúc giữa phoi vàmặt trước Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt

Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50 HRC, phoi sẽ chuyển từ phoidây sang phoi dạng răng cưa và lực cắt tăng lên Khi tăng độ cứng, góc tạo phoităng và chiều dày của phoi giảm Khi độ cứng tăng, tồn tại hai yếu tố trái ngượcảnh hưởng đến cơ chế tạo phoi đó là tăng độ bền của vật liệu gia công do tăng độcứng và giảm độ bền của vật liệu gia công do tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi.Khi độ cứng tiếp tục tăng, vật liệu gia công trở nên giòn hơn và yêu cầu nănglượng cắt nhỏ hơn Khi gia công vật liệu giòn, biến dạng nứt trở nên nhỏ hơn vàkhi nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt sẽ trở nên thịnh hành và hiện tượngtrượt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trượt chỉ ra trên hình 1 Khi hiện tượngnày xảy ra, nhiệt độ trong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầu giảm Một điều cầnlưu ý là phoi dạng răng cưa xuất hiện khi gia công phôi có độ cứng thấp hơn

nhưng với vận tốc cắt cao hơn Điều này chứng tỏ cơ chế tạo phoi được điềukhiển bởi sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công và mốiquan hệ giữa hai yếu tố này với nhiệt độ trong vùng cắt Hình 1.7 chỉ ra 3/4 giaiđoạn hình thành phoi răng cưa khác nhau.

Hình 1.7: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với

V=100m/phút; s=0.1mm/vòng; t=1mm; môi trường cắt khô

Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt giá trị tới hạn trong vùng tạo phoi một vệt nứtđột nhiên xuất hiện và phát triển gần đến lưỡi cắt Chiều dài của vết nứt là rấtquan trọng và có thể so sánh với chiều dày của phoi khi biến dạng không xảy ra.Tất nhiên vết nứt xuất hiện trước khi phoi răng cưa được hình thành.

Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, vùng phoi giữa vết nứt và cạnh viền sẽ

bị đẩy lên không kèm theo biến dạng và vết nứt sẽ bị khép lại khi dụng cụ tiếnlên phía trước và chiều cao của phoi giảm xuống Tốc độ trượt của phoi trên mặttrước lớn đến mức mà có thể tạo ra nhiệt độ cao gần điểm A3 vì thế Máctensítsinh ra do ma sát giữa các lớp phoi thể hiện ở dạng lớp trắng bao quanh mảnhphoi được hình thành Hơn nữa một lớp trắng t ương tự sẽ sinh ra trên bề mặt giacông do ma sát rất lớn giữa mặt sau của dụng cụ với bề mặt gia công có nguyênnhân là lực hướng kính Pyrất lớn

Giai đoạn 3: Khi chiều rộng của khe hở trở nên hẹp tới mức mà tốc độ bật ra vàbiến dạng dẻo của phoi là rất lớn Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hai lớp trắngtrên phoi và trên bề mặt phân cách giữa phoi và bề mặt gia công kết hợp lại tạonên phần thứ hai của phoi răng cưa Do ở đây chiều dày của phoi rất nhỏ và tốc

độ nguội rất cao vì thế hiện tượng chuyển đổi trong vùng này là “adiabatic”.Giai đoạn 4: Mảnh phoi răng cưa hình thành và thực tế điền vào chỗ trống tồn tạigiữa vết nứt và mặt trong của phoi do biến dạng dẻo Sự phân bố ứng suất nén đãgiảm trong giai đoạn 2 và 3 lại trở nên quan trọng và tạo nên vế t nứt mới cho mộtchu kỳ tạo mảnh phoi vụn mới [8]

Dạng phoi được hình thành phụ thuộc vào sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độcứng của vật liệu gia công và mối liên hệ giữa hai thông số này với nhiệt độ sinh

ra trong vùng cắt Hình 1.8 sự ảnh hưởng của tỷ số HVphoi/HVphôi(Tỷ số giữa độcứng lớn nhất đo trên phoi và độ cứng của phôi ban đầu) đến dạng phoi hìnhthành Kết quả thí nghiệm cho thấy biến cứng ảnh hưởng lớn đến sự hình thànhphoi khi độ cứng của phôi tăng hoặc vận tốc cắt thấp [8]

Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi và vận tốc cắt

1.3 Nhiệt cắt

1.3.1 Khái niệm chung

Nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trựctiếp tới cơ chế tạo phoi, lẹo dao, hiện tượng co rút phoi, lực cắt và cấu trúc tế vilớp bề mặt Đồng thời nhiệt cắt còn là nguyên nhân chính gây mòn dụng cụ cắt,ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dụng cụ cắt, đặc biệt trong tiện cứng vì giá thành cácmảnh dao thường khá cao

Phần lớn công tiêu hao trong quá trình cắt gọt chuyển hoá thành nhiệtnăng (97,5%) Số còn lại làm thay đổi thế năng trong mạng tinh thể kim loại.Quy luật phát sinh và truyền nhiệt trong quá trình cắt gọt rất quan trọng để tìmcác biện pháp giảm nhiệt độ sinh ra trong quá tr ình cắt gọt có ý nghĩa lớn về lýluận và thực tiễn Nhằm nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt, năng suất và chấtlượng gia công

Nhiệt độ phát sinh khi gia công bằng cắt phụ thuộc chủ yếu vào các tínhchất của phôi và dao, chế độ cắt và các điều kiện khác như môi trường cắt Cácyếu tố như mòn dụng cụ, cơ chế tạo phoi, chất lượng lớp bề mặt đều chịu ảnhhưởng của nhiệt độ cắt Trong nhiều trường hợp nhiệt độ cắt là yếu tố hạn chế

hiệu quả sử dụng của dụng cụ Khi cắt vật liệu siêu cứng sử dụng dao ceramicsnhư thép h ợp kim hoá và tăng bền bề mặt, các hợ p kim siêu cứng, nhiệt cắt làcần thiết để làm mềm vật liệu gia công cục bộ mà không ảnh hưởng tới sức bềncủa dụng cụ Trong các phương pháp thực nghịêm để đo nhiệt độ cắt như cặpngẫu nhiệt dao – phôi, phát xạ hồng ngoại, sự thay đổi cấu trúc tế vi, cặp ngẫunhiệt trên dao, phương pháp sử dụng cặp ngẫu nhiệt trên dao được sử dụng rộngrãi để đo nhiệt độ trên dụng cụ siêu cứng [34].

Nhiệt độ trong vùng cắt tăng theo giá trị độ cứng của phôi tới HRC 50, khi

độ cứng của phôi vượt quá giá trị này nhiệt độ cắt giảm đi khi tăng độ cứng Điềukhác với quy luật thay đổi nhiệt độ của lý thuyết cắt kim loại truyền thống nàyđược giải thích do sự thay đổi về cơ chế tạo phoi khi gia công thép có độ cứng từ

50 HRC trở lên [14, 35] Nói chung sự tỏa nhiệt khi cắt là do có một công A(kG.m) sinh ra trong quá trình tách phoi Nó xác định bởi công thức :

A : Công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao

Ngoài ra công A có thế tính bởi công thức khác :

Bảng 1.1 Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt

Năm Vật liệu dụng cụ Vận tốc cắt Nhiệt độ giới hạn Độ cứng

Bảng 1.2 Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ

Vật liệuThông số

CacbitVonfram

Gốm sứ

Kimcươngnhân tạoKhối lượng riêng

Cụ thể Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN) được coi là vật liệu có độcứng cao nhất chỉ sau kim cương nhưng lại có độ bền nhiệt cao hơn kim cương(1500 o C) [46] Bảng 1.2 và 1.3 thể hiện tính chất cơ - nhiệt của vật liệu dụng cụCBN so với một số loại vật liệu dụng cụ có tính năng cắt cao khác (CacbitVonfram, gốm sứ nhân tạo và kim cương nhân tạo).

Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98% – 99% công suất cắt biếnthành nhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt AB) , mặttrước (AC) và mặt sau (AD) như trên hình 1.14a

Hình 1.9 (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt.

(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại.

Các nguồn nhiệt này truyền vào dao, phoi, phôi và môi trường với tỷ lệkhác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi,phôi và môi trường [8] Thực tế vận tốc cắt là nhân tố ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ

lệ này, khi cắt với vận tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi (hình 1.9b) [8]

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

Q = Qmặt phẳng cắt+ Qmặt trước + Qmặt sau (1.7)Theo định luật bảo toàn năng lượng thì lượng nhiệt này sẽ truyền vào hệthống phoi, dao, phôi và vào môi trường theo công thức sau:

Q = Qphoi+ Qdao+ Qphôi + Qmôi trường (1.8)Với lưu lý rằng tốc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi như khôngđáng kể trong tính toán khi môi trường cắt là không khí

Hình 1.10: Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường phụ thuộc vào

vận tốc cắt [8]

Từ hình 1.10 ta thấy nhiệt lượng truyền vào phoi lớn nhất và là một hàmcủa vận tốc cắt Càng tăng vận tốc cắt nhiệt lượng truyền vào phoi càng nhiều,nhiệt lượng truyền vào phôi và dụng cụ cắt càng ít Nhiệt lượng truyền vào dao

và phôi càng ít càng có lợi cho quá trình cắt gọt

Như vậy trong tiện cứng sử dụng dao PCBN do vận tốc cắt cho phép là rấtcao (thường từ 100 ÷220 m/phút) nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình chủ yếutruyền vào phoi khoảng 68 – 85%, nhiệt cắt truyền vào dao là không đáng kể(khoảng 10%) (hình 1.2) Điều đó đặc biệt có lợi cho quá trình gia công

1.3.2 Trường nhiệt độ

Thông qua trường nhiệt độ trên phôi, dụng cụ cắt, phoi ta biết được vùngnào có nhiệt độ lớn nhất, biết được ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình giacông để tìm các biện pháp làm giảm nhiệt độ

- Trường nhiệt độ trên phôi giúp ta biết được ảnh hưởng của nhiệt độtrong quá trình cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công

- Trường nhiệt độ trên dụng cụ cắt giúp ta giải thích về quá trình mòndụng cụ cắt

- Trường nhiệt độ trên phoi ít có ý nghĩa

Hình 1.11 giúp ta biết được trường nhiệt độ trên dụng cụ cắt – phoi – phôikhi tiện

Hình 1.11: Trường nhiệt độ khi tiện

Đường nét liền: Đường đẳng nhiệt; đường nét đứt: Dòng nhiệt.Dòng nhiệtvuông góc với đường đẳng nhiệt

- Nhiệt lượng tập trung trên phoi lớn nhất, nhưng do độ dẫn nhiệt của vậtliệu làm dụng cụ cắt nên nhiệt độ tập trung trên dụng cụ cắt thường lớn hơn nhiệt

độ tập trung trên phoi và phôi

- Thí nghiệm cho thấy nhiệt độ lớn nhất nằm ở khu vực tiếp xúc giữa dụng

cụ cắt và phoi, cách mũi dao (0,3 ÷ 0,5)l, l là chi ều dài tiếp xúc giữa phoi và mặttrước Khu vực này có áp lực giữ phoi và mặt trước lớn nhất gọi là trung tâm áplực

Ở mũi dao nhiệt độ tập trung cũng rất lớn Điều này giải thích tại sao dụng

cụ cắt mòn theo rãnh lõm ở mặt trước, mòn ở mũi dao…

Trường nhiệt độ trên phôi cho thấy, nhiệt độ trên bề mặt có thể tới 670 0

K, càng xa mũi dao nhiệt độ giảm dần (vì lớp bề mặt chịu ma sát và biến dạng rấtlớn, càng xa bề mặt biến dạng càng giảm)

Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tr ường nhiệt độ cho thấy:

- Trường nhiệt độ khi gia công là không ổn định

- Nhiệt độ tại một điểm xác định θ (x,y,z) phụ thuộc vào các yếu tố:

+ Vật liệu dụng cụ cắt và chi tiết gia công

+ Điều kiện cắt

+ Phương pháp gia công

Nghiên cứu quá trình mòn dụ ng cụ cắt phải xét đến nhiệt độ lớn nhất trênmặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này, xác định được nhiệt

độ lớn nhất này thường rất khó khăn, nhiệt độ trung bình ở mặt phân cách phoi dụng cụ cắt, dụng cụ cắt – phôi gọi là nhiệt độ cắ t gọt, gọi tắt là nhiệt cắt

-Hình 1.12: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi - dụng cụ

1.3.3 Quá trình phát sinh nhiệt

1.3.3.1 Nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất

Theo Trent thì phần lớn công suất sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhấtbiến thành nhiệt Tốc độ nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thể tính gầnđúng trên mặt phẳng cắt theo công thức:

dạng thứ nhất, β có thể lớn đến 50% khi tốc độ thoát phoi thể tích thấp, vật liệucắt có hệ số dẫn nhiệt cao.

Hình 1.13: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác định tỷ lệ nhiệt (β)

truyền vào phôi [11].

Khi tốc độ thoát phoi thể tích cao thì β được xác định bằng đồ thị thực

nghiệm của Boothroyd thông qua hệ số nhiệt 1

1

.c

T

p c V t R

k

 như trên Hình 1.5.Trong đó k t là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công

F

k V T

1.3.3.2 Nhiệt trên mặt trước (Q AC ) và trường nhiệt độ

Qua các công trình nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt sinh ra trên mặt trướccủa dụng cụ do ma sát giữa phoi, mặt trước và biến dạng dẻo của lớp phoi sát

mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra Theo Jun và Smith thì nhiệt sinh ratrên mặt trước chỉ vào khoảng 20% tổng số nhiệt sinh ra trong quá trình cắt,nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyền vào dao và có ảnh hưởng quyết địnhđến tuổi bền của nó Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước vàquy luật chuyển động của lớp phoi dưới cùng còn có nhiều tranh cãi nên chưa cómột công thức duy nhất để tính tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước Ví dụ, theo Trentthì nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà biếndạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao củ a các lớp phoi gần mặt trước là nguồnnhiệt chính sinh ra nhiệt độ cao trong dao Ông đã đưa ra công thức để tính nhiệt

độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi như sau:

 

1 2 1

2 , 0

và phân bố vận tốc của lớp phoi dư ới cùng trên mặt trước

1.3.3.3 Nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (Q AD ) và

trường nhiệt độ

Nhiệt sinh ra trên mặt sau của dụng cụ chỉ có ảnh h ưởng đáng kể đến nhiệt

độ phát triển trong dao khi lượng mòn mặt sau đủ lớn Do bề mặt mòn mặt sauđược coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp xúc coi như phân bố đều Haris đãxác định được quan hệ của F C và F t trong mặt cắt trực giao và được đề cậptrong công trình của Li như sau:

Hình 1.14: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn

Trong đó: F Cvà F tlà lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến với mặt sau, F cf

và F tf là lực cắt khi dao mòn, VB avelà chiều cao mòn trung bình, t là chiều sâu cắt(Hình 1.6)

Hệ ma sát trên mặt sau được xác định bằng công thức:

.

c c t

Nhiệt từ ba nguồn trên là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ trong dao, giảm

độ cứng nóng của vật liệu gia công vì thế xác định trường nhiệt độ trong dụng cụ

có ý nghĩa rất quan trọng Có thể xác định trường nhiệt độ này bằng thực nghiệmhoặc lý thuyết

1.3.3.4 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt và trường nhiệt độ trong dụng cụ

Trong tất cả các yếu tố ảnh hưởng thì vận tốc cắt ảnh hưởng tới nhiệt cắtnhiều nhất Từ công thức

427

PzV

Hình 1.15: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt độ cắt

1 Thép austenit mangan 2 Thép Cacbon 3 Gang 4 Nhôm

Ta thấy V tăng, Q tăng Mặt khác khi V tăng đến giá trị nào đó thì V tănglực Pz giảm Do đó V tăng, Q tăng nhưng không tỷ lệ với V (ở mức độ chậmhơn)

Vận tốc cắt càng tăng thì thời gian tỏa nhiệt từ phoi vào chi tiết gia công

và dụng cụ cắt càng giảm nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt phần lớn là đitheo phoi (phoi là nguồn nhiệt chính) Nguồn nhiệt làm nóng dụng cụ cắt bây giờchủ yếu là công thắng lực ma sát giữa phoi và mặt trước, mặt sau và phôi, nótăng lên cùng với việc tăng vận tốc cắt Nhưng vận tốc cắt càng cao thì nhiệt cắttăng càng chậm (do µ giảm) và tiệm cận với đường nhiệt độ nóng chảy của vậtliệu gia công (Hình 1.7) vì công thắng lực ma sát không tăng nữa

Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa θ và V theo công thức sau :

0 u

u : số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt

u = 0,26 ÷ 0,72 chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu gia công, phươngpháp gia công (θ < u < 1) thể hiện nhiệt cắt tăng chậm hơn V)

1.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt

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

 Theo độ chính xác gia công

 Theo chất lượng bề mặt đã gia công.

 Theo khả năng cắt của dao

1.3.4.1 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 quangiữa dao và chi tiết gia công trong quá trình cắt Do vậy sự biến dạng về nhiệtcủa dao và chi tiết gia công do ảnh hưởng của nhiệt khi cắt được quan tâm khảosát Về quá trình trao đổi nhiệt, ta biết rằng nếu cung cấp một lượng nhiệt Q chomột vật có thể tích V (cm3), tỷ nhiệt c (J/kg.0K), khối lượng riêng γ kg/cm3), thì

độ tăng của nhiệt độ của vật thể được xác định:

 0

Như vậy nếu ta xét trường hợp khi tiện một chi tiết có được đường kính

là D theo thiết kế trên bản vẽ , nếu nhiệt lượng truyền vào cho chi tiết là Qct thìnhiệt độ trên chi tiết sẽ tăng lên một lượng Δθ xác định và đường kính của chi tiết

sẽ thay đổi một lượng là ΔD:

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

1.3.4.2 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 đọ nào đó thi tổ chức kim tương của chúng sẽthay đổi Sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi về cơ - lý tính của kim loại Mặtkhác, trong quá trình cắt sự tăng giảm đột ngột về nhiệt độ trên bề mặt gia côngkết hợp với sự dao động của lực cắt sẽ tạo nên ứng suất dư và vết nứt tế vi trênlớp kim loại sát trên bề mặt, đồng thời trên đó kim loại cũng bị biến cứn g hayhoá bền Nói chung các ảnh hưởng này đều theo chiều hướng bất lợi cho yêu cầu

về cắt gọt

1.3.4.3 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, đặcbiệt khi cắt ở tốc độ cao thì y ếu 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 gíabởi tuổi bền dao thông qua việc xác định độ lớn của các dạng mài mòn dao cụthể Dưới tác dụng của nhiệt khi cắt vật liệu của dao sẽ có sự thay đổi về tínhchất 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 gọtcũng bị rút ngắn đi, dao nhanh chóng mất khả năng 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

1.4 Các phương pháp xác định nhiệt cắt

1.4.1 Đo nhiệt cắt thông qua đo nhiệt lượng phoi cắt.

Phương pháp này đơn giản, dễ sử dụng và thực hiện nhưng kết quả đo ít chínhxác

Hình 1.16: Phương pháp đo nhiệt lượng phoi cắt

Dựa vào định luật bảo toàn năng lượng: trong hệ cân bằng về nhiệt thì lượngnhiệt toả ra bằng lượng nhiệt thu vào, ta xây dựng hệ thống thí nghiệm như sau:Dùng bình đựng nước 1 có ống 2 để hứng phoi khi cắt Bình được cách nhiệt vớimôi trường nhờ lớp chân không giữa bình và võ 3 Nước trong bình 1 được xácđịnh có khối lượng mn , tỷ nhiệt cn với nhiệt độ ban đầu 0 Bình được đặt sátvào vị trí cắt và trực tiếp hứng lấy phoi cắt rơi xuống Nhiệt lượng từ phoi sẽ toả

ra làm cho nhiệt độ nước trong bình tăng lên khi hệ cân bằng về nhiệt ta đo đượcnhiệt độ của toàn hệ bằng nhiệt kế 4 Để đảm bảo nhiệt độ trong bình đồng đềudùng cánh khuấy 5 để khuấy nước

Nếu gọi nhiệt độ của phoi khi cắt cần xác định là f và nhiệt độ nhiệt kế đođược khi hệ cân bằng là  k, khối lượng phoi trong bình hứng được là m f, tỷ nhiệt

1.4.2 Đo nhiệt cắt dựa theo nguyên lý pin nhiệt điện (cặp ngẫu nhiệt)

Nguyên lý của phương pháp này dựa trên hiện tượng nhiệt điện Khi nung nóngđầu nối của hai dây dẫn từ hai kim loại khác nhau thì xuất hiện trên đầu cuối tự

55