Tài liệu Tổng quan về công nghệ bôi trơn

Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 1 Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5 PHẦN MỞ ĐẦU 8 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN 11 1. Tổng quan về công nghệ bôi trơn truyền thống 11 2. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu 11 Chương 2 NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY 14 2.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI 14 2.1.1 Khái niệm và phân loại phoi 14 2.1.2 Sự co rút phoi 15 2.2 LỰC CẮT GỌT 16 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt 16 2.2.2. Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt 18 2.3 HIỆN TƢỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT 18 2.3.1 Nhiệt cắt 18 2.3.2 Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt 21 2.4. SỰ MÀI MÒN DAO 21 2.4.1 Biểu hiện ngoài của sự mài mòn dao 21 2.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao 23 2.4.3 Quy luật mòn của dụng cụ cắt 25 2.5 GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY 26 2.5.1 Khái niệm chung 26 2.5.2 Phân loại dao phay 27 2.5.3 Vật liệu chế tạo dao phay 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 2 2.5.4 Các thông số hình học của dao phay 28 2.5.5 Các yếu tố của lớp cắt 30 2.5.6 Lực cắt khi phay 32 2.5.7 Độ mòn và tuổi bền của dao phay 33 2.6 BÔI TRƠN LÀM NGUỘI KHI PHAY MẶT PHẲNG 34 2.6.1 Các phƣơng pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt 34 2.6.2 Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt 35 đầu 1. Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu 35 2. Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng gang cÇu bằng dao 36 phay mặt đầu Chương 3 37 LỰA CHỌN TRANG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 37 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 37 3.1.2 Hệ thống thí nghiệm 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm 38 3.2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 38 3.2.1.Mục đích thí nghiệm 40 3.2.2.Trình tự tiến hành thí nghiệm 40 Chương 4 40 TỐI ƢU QUÁ TRÌNH GIA CÔNG KHI PHAY MẶT PHẲNG LÀ GANG CẦU 42 4.1. Mô hình hoá quá trình cắt khi phay 42 4.2. Mô hình hoá toán học tối ƣu hoá quá trình cắt khi phay 43 4.3. Giới hạn vấn đề tối ƣu 46 Chương 5 46 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 46 5.1. Mòn và cơ chế mòn dao 46 5.1.1. Mòn và cơ chế mòn mặt trƣớc dao 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 3 Luận văn thạc sĩ 5.1.2. Mòn và cơ chế mòn mặt sau dao 49 5.1.3. Mòn và tuổi bền dao 52 5. 2. Độ nhám bề mặt chi tiết Ra 54 5. 3 . Kết luận 56 PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 57 I. KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN 57 II. HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 61 Phụ lục 1. CÁC ẢNH CHỤP MÒN DAO 61 Phụ lục 2. SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VỀ ĐỘ NHÁM VÀ ĐỘ MÒN 67 DAO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT : góc tác động 1: góc trượt : góc cắt : góc trước K: hệ số co rút phoi L: chiều dài phoi L0: chiều dài cắt a1: chiều dầy phoi thực tế a: chiều dầy phoi lý thuyết R: tổng hợp lực tác dụng lên dao R0: lực tổng hợp pháp tuyến R1: tổng hợp lực tác dụng lên mặt sau N: lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trước Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 4 Luận văn thạc sĩ F0: lực ma sát của phoi lên mặt trước N’: lực pháp tuyến tác dụng lên mặt sau F0: lực ma sát của phoi lên mặt sau Px: thành phần lực cắt theo phương X Py: thành phần lực cắt theo phương Y Pz: thành phần lực cắt theo phương Z t: chiều sâu cắt S: lượng chạy dao n: số vòng quay của trục chính m: số mũ của K A: công hớt phoi A1: công sinh ra do biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo A2: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước dao A3: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao V: vận tốc cắt Ps: lực trong mặt phẳng trượt Q: nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cắt 0: độ mòn dao : thời gian làm việc của dao : góc nghiêng chính của dao : góc sau : góc tiếp xúc f: tiết diện ngang của lớp cắt B: chiều rộng cắt Sz: lượng tiến dao răng a0: chiều dầy cắt trung bình D: đường kính dao phay P: lực vòng [u]: lượng mòn mặt sau cho phép Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 5 Ra: độ nhấp nhô bề mặt trung bình MQL (Minimum Quantity Lubrication): Bôi trơn tối thiểu DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 2 lượt cắt 67 Bảng 2. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 4 lượt cắt 67 Bảng 3. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 6 lượt cắt 67 Bảng 4. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 2 lượt cắt 68 Bảng 5. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 4 lượt cắt 68 Bảng 6. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 6 lượt cắt 68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 2.1: Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo 14 Hình 2.2: Các loại phoi 15 Hình 2.3: Sơ đồ co rút phoi 16 Hình 2.4: Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi 16 Hình 2.5: Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do 17 Hình 2.6: Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt 20 Hình 2.7: Các dạng mòn của dụng cụ cắt 22 Hình 2.8: Mòn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt 22 Hình 2.9: Quy luật mòn của dụng cụ cắt 23 Hình 2.10: Mòn do khuếch tán 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 6 Hình 2.11 Mòn do chảy dẻo 24 Hình 2.12: Quan hệ giữa độ mòn và thời gian làm việc của dao 25 Hình 2.13: Các loại dao phay 27 Hình 2.14: Các thông số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu 29 Hình 2.15: Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay 30 Hình 2.16: Sơ đồ tính góc tiếp xúc 31 Hình 2.17: Sơ đồ xác định chiều dày cắt và diện tích lớp cắt của răng 32 dao phay khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt Hình 2.18: Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay 32 Hình 2.19: Các dạng mài mòn của răng dao phay 33 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý phun MQL dạng sương mù 37 Hình 3.2: Ảnh hệ thống thí nghiệm 38 Hình 3.3: Ảnh Máy đo nhám 39 Hình 3.4: Ảnh Máy chụp ảnh SEM 40 Hình 4.1: Mô hình tối ưu hoá quá trình cắt khi phay 42 Hình 5.1: Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 2 lượt cắt 47 Hình 5.2: Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 4 lượt cắt 48 Hình 5.3: Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 6 lượt cắt 49 Hình 5.4: Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 2 lượt cắt 50 Hình 5.5: Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 4 lượt cắt 51 Hình 5.6 Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 6 lượt cắt 52 Hình 5.7 Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 2 53 lượt cắt Hình 5.8: Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 4 53 lượt cắt Hình 5.9: Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 6 54 lượt cắt Hình 5.10: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t 55 Hình 5.11: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và lượt cắt t (2) 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 7 Luận văn thạc sĩ Hình 5.12: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t 55 Hình 5.13: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và lượt cắt t (4) 55 Hình 5.14: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t 56 Hình 5.15: Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và lượt cắt t (6) 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 8 PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Trong thời kỳ CNH và HĐH đất nước, ngành Cơ khí có vai trò rất lớn trong việc chế tạo các sản phẩm công nghiệp. Để nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo yêu cầu về tính công nghệ và kinh tế, đặc biệt là khi gia công các sản phẩm có độ cứng cao, cấu trúc vật liệu phức tạp người ta đã ứng dụng rất nhiều phương pháp công nghệ từ truyền thống đến không truyền thống. Đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình gia công cắt gọt chi tiết chính là bôi trơn - làm nguội vì bôi trơn - làm nguội có tác dụng làm giảm lực cắt, giảm nhiệt cắt, giảm ma sát, mòn dao, giảm hệ số co rút phoi, đặc biệt làm tăng chất lượng bề mặt gia công, nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế. Theo công nghệ truyền thống, khi gia công vật liệu Gang, thông thường người ta không sử dụng bôi trơn (gia công khô) vì : Đặc điểm biến dạng phần lớn Gang kết cấu dạng ferit hoặc peclit và từ 3- 5% graphit ở dạng bông hoặc tấm, hay graphit phiến hoặc dạng cầu. Chính vì có graphit lên tính dẻo của gang giảm, làm phoi dễ gẫy và hoạt động như một loại chất bôi trơn tự nhiên, lực cắt tương đối nhỏ và phoi vụn. Do vậy gang được xếp vào nhóm vật liệu dễ gia công cắt gọt, tuy nhiên khi gia công cắt gọt Gang thường gặp một số vấn đề như: - Mòn dao do tạp chất cứng lẫn trong gang gây ra - Có hiện tượng phoi chảy dẻo và dính bám lên mặt sau (Gang cầu) - Lực cắt rất lớn, nhiệt độ cao, chất lượng gia công giảm (Gang cầu) Để khắc phục các nhược điểm kể trên tác giả đề xuất ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu khi gia công vật liệu Gang với chế độ cắt tối ưu được chọn trước vì những ưu điểm nổi bật của công nghệ này như: - Giảm lực cắt và mòn dao - Nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt. - Giảm chi phí dọn phế thải và làm sạch môi trường. - Không gian làm việc sạch, góp phần giảm ô nhiễm môi trường. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 9 Trên thế giới công nghệ bôi trơn tối thiểu đã được áp dụng khá phổ biến tại những nước có nền công nghiệp phát triển như: Anh, Đức, Mỹ, Hàn quốc… Ở Việt Nam hiện nay những nghiên cứu và ứng dụng về bôi trơn tối thiểu còn nhiều hạn chế. Do phương pháp này có nhiều ưu điểm, đặc biệt là thân thiện với môi trường nên rất cần có những nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào thực tế sản xuất ở nước ta, vì vậy tác giả đề xuất chọn đề tài: “Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu” 2. Mục đích, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu. 2.1.Mục đích của đề tài - Nghiên cứu, đánh giá khả năng bôi trơn- làm nguội của công nghệ bôi trơn tối thiểu qua đó chỉ ra tính ưu việt của phương pháp này. - Nghiên cứu tìm được ra những ảnh hưởng của chế độ công nghệ bôi trơnlàm nguội tối thiểu bằng dầu thực vật đến mòn, tuổi bền của dao khi gia công gang Cầu( bằng phương pháp phay bề mặt). - Nghiên cứu đưa ra được chỉ dẫn cụ thể như: áp suất dòng khí, lưu lượng tưới phù hợp khi gia công mặt phẳng gang Cầu bằng dao phay mặt đầu có gắn mảnh hợp kim cứng. - Nghiên cứu để lựa chọn được chế độ cắt tối ưu trong quá trình gia công mặt phẳng( Gang cầu)có bôi trơn(bôi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật). 2.2. Đối tượng nghiên cứu - Dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC (BK8) - Gang cầu có độ cứng từ 170-220HB (Bàn Máp 2 rãnh) - Chế độ bôi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật( áp suất dòng khí ). - Chế độ cắt (lựa chọn bộ thông số S,V,t tối ưu) trong quá trình gia công gang cầu bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh BK8. - Các chỉ tiêu công nghệ trong quá trình gia công: Cơ chế mòn và tuổi bền của dao. 2.3.Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm (chủ yếu là thực nghiệm). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 10 Luận văn thạc sĩ 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. 3.1.Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu sẽ đánh giá khả năng cũng như cho thấy được các ảnh hưởng của việc lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với Gang cầu có bôi trơn tối thiểu. Qua đó đánh giá được mòn, tuổi bền của dao của Gang cầu nói riêng và các loại Gang nói chung. 3.2. í nghĩa thực tiễn - Chọn ra được chế độ cắt tối ưu, loại dầu bôi trơn và những chỉ dẫn cụ thể về chế độ bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với Gang cầu nói riêng và các loại Gang nói chung. - Các kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong thực tiễn và dần thay thế công nghệ truyền thống . - Kết quả nghiên cứu đạt được sẽ ứng dụng vào Phay bàn Máp 2 rãnh bằng Gang cầu tại nhà máy Điêzen Sông công – Thái nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 11 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN 1. Tổng quan về công nghệ bôi trơn truyền thống - Bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn: là phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay, dung dịch trơn nguội được dẫn tự do vào vùng cắt thông qua hiện tượng mao dẫn và các thiết bị cần thiết như bơm nước, sự chênh lệch độ cao, bình thông nhau... Ưu điểm của phương pháp tưới tràn là tải được nhiệt ra khỏi vùng cắt, hạn chế được ảnh hưởng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt. Đảm bảo được nhiệt độ trong môi trường thấp và ổn định. Giúp việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng. Giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, giữa phôi và mặt sau dụng cụ cắt. Nhược điểm của phương pháp là gây ô nhiễm môi trường làm việc, đất đai và nguồn nước. Tăng chi phí sản xuất, vận chuyển, bảo dưỡng và tái chế chất bôi trơn đặc biệt là chi phí làm sạch trước khi đưa vào môi trường. Tiêu tốn nhiều dung dịch trơn nguội. Dung dịch khó xâm nhập vào vùng cắt. - Theo c«ng nghệ truyền thống, khi gia c«ng vËt liÖu Gang, th«ng thường người ta kh«ng sử dụng b«i trơn (gia c«ng kh«) v× : §Æc ®iÓm biÕn d¹ng phÇn lín Gang kÕt cÊu d¹ng ferit hoÆc peclit vµ tõ 3- 5% graphit ë d¹ng b«ng hoÆc tÊm, hay graphit phiÕn hoÆc d¹ng cÇu. ChÝnh v× cã graphit lªn tÝnh dÎo cña gang gi¶m, lµm phoi dÔ gÉy vµ ho¹t ®éng nh- mét lo¹i chÊt b«i tr¬n tù nhiªn, lùc c¾t t-¬ng ®èi nhá vµ phoi vôn. Do vËy gang ®-îc xÕp vµo nhãm vËt liÖu dÔ gia c«ng c¾t gät, tuy nhiªn khi gia c«ng c¾t gät Gang th-êng gÆp mét sè vÊn ®Ò nh-: - Mßn dao do t¹p chÊt cøng lÉn trong gang g©y ra - Cã hiÖn t-îng phoi ch¶y dÎo vµ dÝnh b¸m lªn mÆt sau (Gang cÇu) - Lùc c¾t rÊt lín, nhiÖt ®é cao, chÊt l-îng gia c«ng gi¶m (Gang cÇu) 2. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL): là phương pháp sử dụng dòng khí nén có áp suất cao để phun dung dịch trơn nguội vào vùng cắt dưới dạng sương mù để bôi trơn, làm nguội và đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) có nh÷ng -u ®iÓm næi bËt nh-: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 12 Luận văn thạc sĩ - Giảm lực cắt và mßn dao - N©ng cao tuổi bền của dụng cụ c¾t. - Giảm chi phÝ dọn phế thải và là m sạch m«i trường. - Kh«ng gian là m việc sạch, gãp phần giảm « nhiễm m«i trường. Những năm 90 của thế kỷ XX, các nước công nghiệp phát triển CHLB Đức, Thụy Điển... đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL). Hướng nghiên cứu về MQL tập trung vào: tìm ra các loại dung dịch cắt gọt mới đáp ứng được yêu cầu của MQL hoặc tìm các chất phụ gia làm tăng tính cắt của dung dịch cắt gọt. Nghiên cứu xác định áp suất và lưu lượng tối ưu. Cải tiến kết cấu của dụng cụ để thích hợp với MQL. Cải tiến kết cấu đầu phun và hệ thống bôi trơn. Nghiên cứu ứng dụng MQL trong gia công cứng và gia công tốc độ cao... [3]. Trên thế giới có một số tài liệu đã công bố nghiên cứu về MQL như: các tác giả Nikhil Ranjan Dhar, Sumaiya Islam, Mohamad Kamruzzaman nghiên cứu Ảnh hưởng của MQL đến mòn dao, độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước khi tiện AISI4340 [14]. Tác giả Steven Y. Liang đã nghiên cứu MQL trong tiện cứng [15]. Tổng công ty Master Chemical đã tổng kết các Ứng dụng của MQL trong công nghệ kim loại [16]. Tác giả Jim Lorincz đã nêu Các giải pháp đúng đối với chất làm nguội trong đó có nêu những thành công của MQL trong gia công cắt gọt và ứng dụng MQL trong thiết kế máy công cụ [17]. Ở Việt Nam, công nghệ MQL mới chỉ mới tiếp cận vài năm gần đây. Hiện đã có một số nghiên cứu áp dụng MQL trong gia công cắt gọt đã công bố như: tác giả Trần Minh Đức đã Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu trong gia công cắt gọt, tác giả đã xây dựng được hệ thống MQL đáp ứng yêu cầu nghiên cứu và rất thuận lợi cho việc chuyển giao công nghệ MQL trong tiện cắt đứt, phay rãnh bằng dao phay ngón, phay lăn răng, khoan [3]. Tác giả Phạm Quang Đồng đã Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu đến độ mòn dao và chất lượng bề mặt khi phay rãnh bằng dao phay ngón [4]. Tác giả Nguyễn Đức Chính đã Nghiên cứu xác định áp lực và lưu lượng hợp lý để thực hiện công nghệ bôi trơn làm nguội khi khoan [5]. Tác giả Lưu Trọng Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 13 Luận văn thạc sĩ đã Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn - Làm nguội tối thiểu khi phay rãnh [6]. Như vậy, theo các tài liệu đã công bố về MQL trong gia công cắt gọt thì nghiên cứu ứng dụng MQL trong phay mặt phẳng gang cầu bằng dao phay mặt đầu cácbít chưa được nghiên cứu. Trong khi đó nhu cầu phay gang (đặc biệt là gang cầu) được đặt ra để tránh hoặc giảm bớt được nguyên công mài. Chính vì vậy tác giả đã đề xuất chọn đề tài: Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ƣu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 14 Chương 2 NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY 2.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI 2.1.1 Khái niệm và phân loại phoi Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 2.1a), 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 2.1b). Hiện tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1  5 (hình 2.1c). a) b) P  a 1 2  a  C P B c) 2 C  3  P  4 a 1 5 B Hình 2.1. Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo 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. Hình 2.2 là các loại phoi được hình thành trong quá trình gia công các loại vật liệu khác nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 15 Phoi dây (hình 2.2a) được hình thành khi gia công vật liệu dẻo với chiều sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt và góc trước  lớn [7]. Phoi xếp lớp (hình 2.2b) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước  nhỏ [7]. Phoi vụn (hình 2.2c) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước  nhỏ [7]. Khi gia công các vật liệu giòn (gang) với chiều sâu cắt và góc trước  lớn thì phoi vụn (hình 2.2d) có hình dạng không giống nhau được hình thành. b) a P a a) C P B d) C P a a c) C B P B Hình 2.2. Các loại phoi 2.1.2 Sự co rút phoi Biến dạng dẻo khi cắt kim loại được thể hiện ở chỗ chiều dày phoi a 1 lớn hơn chiều dày cắt a (hình 2.3). Nhưng trong trường hợp này có sự thay đổi về hình dáng, còn thể tích vẫn được giữ nguyên, cho nên chiều dài phoi L sẽ ngắn hơn quãng đường mà dao đi qua L0 (chiều dài cắt). Hiện tượng phoi bị ngắn lại theo chiều dài và lớn lên theo bề dày được gọi là sự co rút phoi K: K L0 a1  1 L a Hệ số co rút phoi là chỉ tiêu gián tiếp đánh giá cường độ biến dạng dẻo khi cắt kim loại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 16 L a L a1 L0 Hình 2.3. Sơ đồ co rút phoi l   l0 Hình 2.4. Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi Khi xét một phần tử phoi (hình 2.4), hệ số co rút phoi sẽ bằng: l0 sin(900  1   ) cos(1   ) K   l sin 1 sin 1 Trong thực tế, K = 1,5  4. Sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm sự co rút của phoi [7]. 2.2 LỰC CẮT GỌT 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt chịu tác dụng của các lực. Các lực này tác dụng lên phôi và lưỡi cắt. Hình 2.5a là sơ đồ lực tác động lên phôi khi cắt tự do. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 17 R1 b) N'  v F0 R1 R N  F0' R0 R1 c) R0 N' F'0  a) d) L0 y Py R Pz z Hình 2.5. Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do Mặt trước của dao chịu tác dụng của lực R0, lực R0 là tổng hợp lực pháp tuyến N và lực ma sát của phoi lên mặt trước F0, có nghĩa là: R0  N  F0 . Mặt sau của dao (gần lưỡi cắt) chịu tác dụng của lực pháp tuyến N’ và lực ma sát lên mặt sau của dao F0’. Tổng của hai lực N’ và F0’ là R1. Vì góc sau  nhỏ và có độ mòn ở mặt sau của dao, cho nên ta có thể tính lực như trên hình 2.5b, có nghĩa là phương của lực F0’ ngược với phương tốc độ cắt V. Để thực hiện được quá trình cắt hoặc để giữ trạng thái cân bằng của dao thì từ ngoài phải có một lực tác dụng lên dao R  R0  R1 (hình 2.5c). Phân tích lực R tác dụng lên dao ra hai thành phần: - Thành phần lực Pz theo phương chuyển động chính hoặc theo phương dịch chuyển của dao và ta gọi Pz là lực tiếp tuyến. - Thành phần lực Py theo phương trùng với đường tâm dao và ta gọi P y là lực hướng kính. Khi chiếu các lực lên phương của trục y và trục z ta được: Pz = Ncos + F0sin + F0’ Py = -Nsin + F0cos+ N’ Lực pháp tuyến N có thể xác định theo công thức gần đúng sau đây: N   0tSK m Ở đây: 0: giới hạn chảy của vật liệu gia công khi bị nén (kG/mm2); Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 18 t: chiều sâu cắt (mm); S: lượng chạy dao (mm/vòng); K: hệ số co rút phoi; m: số mũ của K (phụ thuộc vào vật liệu gia công). Ngoài hai thành phần lực Pz và Py còn có thêm thành phần lực Px (lực tác dụng theo phương trục chi tiết). Tương quan của các thành phần lực này trong điều kiện gia công bình thường có thể được tính như sau [7]: Px = (0,2  0,3)Pz Py = (0,3  0,4)Pz 2.2.2. Ảnh hƣởng 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 [7]. Khi 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 [7]. Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu lại khuyên không nên sử dụng dung dịch trơn nguội khi gia công với tốc độ cắt lớn. Ví dụ khi gia công thép 10 với tốc độ cắt cao và dùng dung dịch trơn nguội emunxi, lực cắt Pz lớn hơn chút ít so với trường hợp gia công không có dung dịch trơn nguội [7]. Mặc dù có lời khuyên trên, nhưng trong thực tế sử dụng dung dịch trơn nguội trong mọi trường hợp (kể cả gia công tốc độ cao) vẫn 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 [7]. 2.3 HIỆN TƢỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT 2.3.1 Nhiệt cắt Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, bởi vì nó ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi, lẹo dao, co rút phoi, lực cắt và cấu trúc lớp bề Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên 19 Luận văn thạc sĩ mặt. Ngoài ra, nhiệt cắt còn ảnh hưởng rất lớn đến cường độ mòn và tuổi bền dao [7]. Sự tỏa nhiệt khi cắt là do một công A (kGm) sinh ra trong quá trình hớt phoi. Công A được xác định theo công thức: A = A1 + A2 + A3 (1) Ở đây: A1: công sinh ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo; A2: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước của dao; A3: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của dao. Mặt khác, công A được tính theo công thức: A = Pz.L Ở đây: Pz: lực cắt tác dụng theo phương tốc độ cắt (kG); L: quãng đường mà dụng cụ đi qua hay chiều dài cắt (m). Các công thành phần trong công thức (1) có tỉ lệ như sau: A1 = 55%, A2 = 35%, A3 = 10%. Nếu lấy quãng đường mà dụng cụ đi qua trong một phút, ta có công thức trong một phút: A = Pz.V = Ps.Vs + F.VF + F1.VF1 Ở đây: V: tốc độ cắt (m/phút); Ps: lực trong mặt phẳng trượt hay lực trượt (kG); Vs: tốc độ trượt (m/phút); F: lực ma sát ở mặt trước của dao (kG); F1: lực ma sát ở mặt sau của dao (kG); VF  V : tốc độ chuyển động của phoi ở mặt trước của dao (m/phút); K K: hệ số co rút phoi; VF1: tốc độ chuyển động của bề mặt gia công tương đối so với mặt trước của dao (m/phút), VF1 = V. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sĩ 20 Thực tế cho thấy, phần lớn công cắt gọt A (hơn 99,5%) sinh ra nhiệt cắt. Vì vậy, lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình cắt là [7]: Q P .V A  z 427 427 Nhiệt cắt Q được tính bằng kcal/phút. Nhiệt trong quá trình cắt lan tỏa từ điểm có nhiệt độ cao nhất đến điểm có nhiệt độ thấp nhất. Nhiệt trong quá trình cắt chủ yếu tập trung ở phoi và một phần ở dụng cụ. Nhiệt do ma sát ở mặt trước và mặt sau sẽ tập trung ở mặt trước III và mặt sau IV, ở phoi II và chi tiết gia công I (hình 2.6). Có một phần nhỏ nhiệt tỏa ra vào môi trường xung quanh. Ñöôøng ñaúng nhieät a Vuøng tröôït II III IV I Hình 2.6. Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt Khi biết lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt lan tỏa giữa phoi, chi tiết gia công và dụng cụ, có thể viết phương trình nhiệt như sau: Q = Q1 + Q2 + Q3 = Qp + Qd + Qc + Qm Ở đây: Q1, Q2, Q3: nhiệt ứng với các công ở công thức 1; Qp, Qd, Qc, Qm: nhiệt ở phoi, ở dụng cụ, ở chi tiết và ở môi trường xung quanh. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi gia công với tốc độ cắt không lớn (30 ÷ 40 m/phút) tỉ lệ nhiệt như sau: Qp  60  70%; Qd  3%; Qc  30  40%; Qm  1  2%. Khi tốc độ cắt tăng, tỉ lệ nhiệt vào phoi tăng. Ví dụ, khi tốc độ cắt V = 400  500 m/phút, nhiệt vào phoi Qp  97  98%; Qd  1%. Thực nghiệm cũng đã Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn