Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt khi gia công trên máy tiện cnc

LỜI CAM ĐOAN 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 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................ i MỤC LỤC ......................................................................................................... ii 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 CHƯƠNG 2: QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ MATLAB .........................33 2.1. Quy hoạch thực nghiệm ..........................................................................33 2.1.1. Khái niệm cơ bản về quy hoạch thực nghiệm ....................................33 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 MATLA B ..................................................................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 KI ẾN NGHỊ ...........................................................................67 1. Kết luận ...................................................................................................67 2. Kiến nghị .................................................................................................67 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................69 PHỤ LỤC ..........................................................................................................70 TÓM TẮT: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT TỚI NHIỆT CẮT KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC 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 chi tiết. 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 mỗi quan hệ giữa vận tốc cắt VC và nhiệt cắt. Kết quả của đề tài là công thức thực nghiệm về mối quan hệ giữ a vận tốc cắt với nhiệt cắt trong một điều kiện thực nghiệm 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’s surface. There are four main factors which directly effect on the cutting temperature, namely: the cutting speed, the material of cutting tool and component, the configuration of cutting tool, and the cutting compound. Among these factors, the cutting speed has the largest effect and easiest modification factor. The investigation of temperature generated during the metal cutting processes 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 manufacturing including the dimension and the surface quality. This thesis introduces the methodology of cutting temperature measurement using the turning dynamometer DKM 2010 device and the temperature measurement on tool tip: "TAD" of the TeLC Company when the C45component is manufactured on the lathe machine. Based on the experimental data, 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 experimental formulation 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. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a: chiều dày lớp kim loại bị cắt ap : chiều dày phoi Kf : mức độ biến dạng của phoi Kbd : mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi K ms : 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 K: hệ số thẩm nhiệt Kc , Kt : các hệ số thực nghiệm µ: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước µ f : hệ số ma sát trên mặt sau b: hệ số truyền nhiệt θo : nhiệt cắt Cl: hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công u: số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt φ: góc nghiêng chính φ1 : góc nghiêng phụ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt................................................ 13 Bảng 1.2 Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ ............................................... 14 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 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Sơ đ ồ miền tạo phoi ..................................................................................... 5 Hình 1.2: Miền tạo phoi............................................................................................... 6 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: Đư ờng cong thực nghiệm của Boothroyd để xác định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi ......................................................................................................... 20 Hình 1.14: Sơ đ ồ 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 nhi ệt cắt bằng pin bán nhân tạo .......................................................... 28 Hình 1.20: Đo nhi ệt 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 nhi ệt 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 3.5: Phôi thép C45 ............................................................................................ 57 Hình 3.6: Thiết bị đo nhiệt trên đầu dụng cụ.............................................................. 58 Hình 3.7: Cáp kết nối................................................................................................. 59 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 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Ngày nay việc sử dụng máy CNC trong sản xuất đã ngày một phổ biến. Việc nâng cao hiệu quả kinh tế và năng suất của máy CNC đã trở thành một vấn đề thiết 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 tăng cao năng suất và hiệu quả kinh tế của máy CNC trong quá trình gia công, sản xuất. 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, để giải 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, độ chính xác của chi tiết,… Chính vì vậy “ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾN NHIỆT CẮT KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC” đã được chọn làm đề tài 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 cắt đến nhiệt cắt khi gia công trên máy tiện CNC EMCO CONCEPT TURN 250 tại Viện 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 Cơ khí 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 tiện CNC 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 2 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 trên máy CNC thông qua đo đạc và xử lý số liệu bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm. 3 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 và được sử dụng rộng rãi trong thực tê sản xuất của ngành chế tạo máy. Máy tiện là lọai 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 kim lọai trong phân xưởng cơ khí, với nhiều chủng lọai và kích thước khác nhau. T rải qua 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 thế giới. Lý thuyết cắt gọt kim loại đi sâu nghiên cứu về quá trình tạo phôi, các lực phát sinh trong quá trình gia công bằng cơ giới, công suất của thiết bị, chất lượng sản phẩm khi gia công, những đại lượng này rất cần thiết, chúng làm cơ sở cho việc lựa chọn hình dáng, tính toán kích thước của công cụ cắt, tính toán, thiết kế và sử dụng hợp lý các thiết bị và công cụ gia công. Nhiều công trình khoa học trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt kim loại phải kể đến là các nhà bác học 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 hoàn chỉnh với những công trình nghiên cứu mới về lực phát sinh trong quá trình gia công 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, Manchester, Anh Đã được công nhận ngày 17 tháng 5 năm 2005; Được chấp nhận vào ngày 12 tháng 7 năm 2005 - trực tuyến 16 tháng 9 năm 2005 Một lượng lớn nhiệt được tạo ra trong quá trình gia công cũng như trong quá trình khác nhau nơi mà sự biến dạng của vật liệu xảy ra. Công suất tiêu thụ trong cắt kim loại trong quá trình cắt hoạt động chủ yếu được chuyển thành nhiệt. Các nghiên cứu về các lĩnh vực nhiệt độ trong gia công là rất quan trọng cho sự phát triển của các công nghệ mới nhằm tăng tuổi thọ và giảm chi phí sản xuất. 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 cuộc sống 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 sử dụng 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 và kết quả tạo ra sẽ được so sánh với công việc thực tế , cho các phôi và điều kiện cắt khác nhau. 4 “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 thực nghiệm đã đư ợc 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 kết luận quan trọng về các sơ đồ động học, sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt cắt. Ở Việt Nam, Mặc dù đã có các công trình nghiên cứu để ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt trong gia công kim loại. Nhưng do tình hình phát triện nhanh 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 được được nâng cao, các dụng cụ cắt ngày càng được nâng cấp bằng các loại vật liệu ngày 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 như nghiên 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 ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào như chế độ cắt, loại dung dịch chất bôi trơn, vật liệu 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 loại dung dịch bôi trơn hợp lý để tối ưu quá trình gia công kim loại Kết quả nghiên cứu của các đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu, các nhà quản lý sản xuất khi nghiên cứu, sử dụng máy tiện. Song quá trình cắt có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt và chất lượng sản phẩm, các công trình nghiên cứu trình bầy ở trên cũng mới chỉ nghiên cứu được một số yếu tố cho một số trường hợp cụ thể, do vậy còn nhiều yếu tố khác, trong các trường hợp tiện khác chưa được nghiên cứu. 1.2. Bản chất vật lý của quá trình cắt 1.2.1. Bản ch ất vật lý Trong quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượng vật lý xảy ra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng, biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến công tiêu hao trong quá trình 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 có chi 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 động quay tròn của phôi. 5 - Chuyển động chạy dao: Đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo phoi liên tục trong suốt quá trình cắt . Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của dao khi tiện mặt trụ [1]. Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra trong lớp 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 kim loại 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 được giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi. Dưới tác dụng của lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo. Khi ứng suất do lực tác động gây ra vượt quá giớ i hạn bền của kim loại thì xuất hiện hiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE). Trong quá trình 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 thành phoi. Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ chức hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như kh ông xảy ra. Quá trình bóc tách 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 của công cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của dao (tuổi thọ của dụng cụ cắt) và ch ất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tạo phoi. 6 Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 1.1), dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước. Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày a p được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao. Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi biến thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất định, nghĩa là giữa 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 ứng suất tiếp có giá trị cực đạ i) Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh những biến 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 di chuyển 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) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía t rên. Mức độ biến dạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài ra theo một hướng nhất định, tạo thành têch tua. 7 Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều. Mức độ biến dạng của phoi: K f  K bd  K ms (1.1) Ở đây: - Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi - Kms là 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 dưới đường 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 và điều 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 giải thích như sau : Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với tốc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với vận tố c lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ đi ngang qua 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 thúc quá 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 góc theo 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 chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến dạng của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF. Do đó để cho đơn giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động của dao một góc bằng θ. 8 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 trong miền tạo phoi. Hình 1.4: Tính góc trượt θ Theo hình vẽ 1.4 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của phoi là a 1 ta có: r a OC.sin  sin    a1 OC.cos     cos     (1.2) Do đó có thể tính θ theo công thức : r.cos 1  r.sin  (1.3) 1 thì ta có công thức sau : r cos tg  K  sin  (1.4) tg  Nếu đặt 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 với kích thước của lớp kim loại sinh ra nó. Đại lượng K đặc trưng cho sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn. Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó công tiêu hao trong quá trình c ắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao. Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5. 9 Hình 1.5: Quan hệ giũa vận tốc cắt và biến dạng phoi Khi Vc tăng từ V 1 đến V 2 biến dạng của phoi giảm. Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng, biến dạng của phoi tăng. Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm tăng góc trước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ dàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt gia trị cực tiểu tại B ứng với V c = V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất). Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn. Khi Vc tăng từ V 2 ÷ V3 biến dạng của phoi tăng. Trong vùng vận tốc cắt này khi V c tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Khi V c tăng, hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh h ưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng biến dạng của phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi V c = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn). Khi Vc > V3 : lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rất cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi và mặt trước giảm, K giảm. Khi Vc > 200 ÷ 300 m/phút hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng của phoi hầu như không thay đổi. Các giá trị V 1 , V2 , V3 phụ 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 dày trung 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 cung cong (phương thoát phoi xem như th ẳng góc với lưỡi cắt) làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6.