Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại docx

Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
LỰC CẮT VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
Thực hiện : Phạm Minh Tâm
Vũ Quang Lương
Lớp : CH-CNCK 08-10
1.
1.
Khái niệm lực cắt
Khái niệm lực cắt
2.
2.
Các mô hình xác định lực cắt
Các mô hình xác định lực cắt
3.
3.
Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt
Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt
4. Ứng dụng trong tính toán thiết kế
5. Các kết luận và định hướng nghiên cứu
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
1.Khái niệm lực cắt
Trong quá trình cắt xuất hiện các lực tác dụng lên
phôi và dụng cụ cắt, được gọi là lực cắt. Để tính công
suất truyền động và độ cứng vững của máy, độ bền
và độ cứng vững của dụng cụ và đồ gá cần phải tính
toán được các lực này.
Để tính toán các lực trên, có thể thực hiện theo hai
phương pháp
⇒
Dựa vào các quá trình lý thuyết trên cơ sở phân

tích quá trình cắt phôi như một trong những trường
hợp đặc biệt của biến dạng dẻo.
⇒
Xác định bằng phương pháp thực nghiệm
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
2. Các mô hình xác định lực cắt
Để điều khiển gia công một cách kinh tế nhất và đảm
bảo yêu cầu chính xác, ta xây dựng các mô hình của các đại
lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt. Dựa
trên mô hình lực tạo phoi ta xác định được yêu cầu về năng
lượng và tính chất biến dạng của hệ thống công nghệ.
⇒
Dựa trên các tiên đề rồi dùng phương pháp diễn giải để
mô tả cơ chế tác động cơ lí qua lại của quá trình tạo phoi từ
đó rút ra các biểu thức giải tích mô tả các đại lượng xuất
hiện trong và sau quá trình cắt.
⇒
Dựa trên nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với xử lí số
liệu theo phương pháp thống kê để rút ra mô hình. Phương
pháp này đảm bảo tính kinh tế trong quá trình nghiên cứu
cũng như đạt được độ chính xác cao và dễ triển khai áp dụng
vào sản xuất.
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Mô hình lực tạo phoi.
Hình 1. Mô hình lực tạo phoi
F
NMT
– lực pháp tuyến ở mặt trước của dao; F
msMT
– lực ma

sát ở mặt trước của dao; F
NMS
– lực pháp tuyến ở mặt sau
dao; F
msMS
– lực ma sát ở mặt sau dao; F
r
– Lực cản ở cung
tròn của mép cắt.
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Mô hình mạng lưới SPH (Smooth Particle Hydrodynamics methods)
Hình 1. Ví vụ về
mô hình mạng
lưới SPH
Hình 2. Ba vùng vật liệu
khi cắt kim loại
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Hình 5. Kết quả từ phân tích SPH, biểu diễn các phần biến dạng dẻo
của vật liệu khi cắt.
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Mô hình FEM (Finite Element Method)
Sử dụng phần mềm LS-DYNA có thể tính toán lực cắt theo 2 hướng
dựa trên mô hình 3D, cũng có thể dự đoán sự hình thành phoi
trong quá trình cắt.
Hình 6. Mô hình FEM
Thực hiện 2 thí nghiệm:

Trong phần này mô hình và phân tích độ nhạy cho mô hình này được mô
Trong phần này mô hình và phân tích độ nhạy cho mô hình này được mô
tả. Các mô hình FEM cắt được chuẩn bị để phân tích trong các mã FEM LS-

tả. Các mô hình FEM cắt được chuẩn bị để phân tích trong các mã FEM LS-
DYNA.
DYNA.



Mục đích
Mục đích
là để có được một mô hình với một thời gian tính toán càng
là để có được một mô hình với một thời gian tính toán càng
ngắn càng tốt và có khả năng dự báo lực đầu ra trong tính toán so sánh
ngắn càng tốt và có khả năng dự báo lực đầu ra trong tính toán so sánh
với lực đo từ các thử nghiệm, và đồng thời dự đoán một hình phoi thực tế.
với lực đo từ các thử nghiệm, và đồng thời dự đoán một hình phoi thực tế.

Các mô hình FEM được sử dụng là một mô hình 3D rắn nơi đầu ra là lực
Các mô hình FEM được sử dụng là một mô hình 3D rắn nơi đầu ra là lực
kiểm tra theo hai hướng: hướng lực cắt và hướng lực đẩy. Phân tích này
kiểm tra theo hai hướng: hướng lực cắt và hướng lực đẩy. Phân tích này
được thực hiện với một tốc độ không đổi của các công cụ theo hướng x,
được thực hiện với một tốc độ không đổi của các công cụ theo hướng x,
như trong hình. 6. Công cụ này có hình học tương tự như công cụ được sử
như trong hình. 6. Công cụ này có hình học tương tự như công cụ được sử
dụng trong các thí nghiệm. Một phân tích so sánh giữa các số và những thí
dụng trong các thí nghiệm. Một phân tích so sánh giữa các số và những thí
nghiệm được mô tả trong Phần cuối.
nghiệm được mô tả trong Phần cuối.

Trên cơ sở khảo sát văn học được chọn để thực hiện các phân tích như mô
Trên cơ sở khảo sát văn học được chọn để thực hiện các phân tích như mô

tả trong đây. Một số giả định đã được thực hiện để giảm bớt kích thước mô
tả trong đây. Một số giả định đã được thực hiện để giảm bớt kích thước mô
hình và thời gian tính toán, cho phép phát triển một phương pháp hữu ích:
hình và thời gian tính toán, cho phép phát triển một phương pháp hữu ích:
Phân tích lưới phân tử
Trong những phân tích kích thước lưới ảnh hưởng lực đầu
ra được kiểm tra. Các phân tích lưới thực hiện là một phân tích ảnh
hưởng kích thước lưới trên biến động lực lượng đầu ra. Các phân
tích thực hiện không phải là một nghiên cứu hội tụ và để kiểm tra
các ảnh hưởng kích thước lưới với lực đầu ra , hai phân tích khác
nhau đã được thực hiện:
- Phân tích lưới dạng 1 : Lưới kích thước trên phôi, nơi mà các
dụng cụ đã cùng các yếu tố trên độ dày như phôi
Khi cắt phôi bằng dụng cụ có cùng phần tử trong mạng tinh thể.
Ví dụ: Khi cắt với dụng cụ và chi tiết có cùng 8 phần tử (mịn) hoặc
4 phần tử (thô).
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
-Khi cắt phôi bằng dụng cụ có cùng phần tử trong mạng tinh thể.
Ví dụ: Khi cắt với dụng cụ và chi tiết có cùng 8 phần tử (mịn) hoặc
4 phần tử (thô).
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Hình. 8. Các lực mô phỏng, các lực cắt Fx và lực đẩy lực lượng FZ.,
Để phân tích với lưới mịn và phân tích với lưới thô, thời gian
khoảng 250-880 μs
Biểu đồ lực cắt theo thời gian thu được:
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Như trong hình. 8 có một biến động nhỏ trong lực lượng
đầu ra từ những phân tích với lưới mịn so với phân tích với lưới
thô. Từ những phân tích nó có thể được kết luận rằng nó là cần
thiết với một lưới trên phôi tốt để có thể giả lập một lực lượng đầu

ra mà không có biến động quá lớn. Trong phân tích các yếu tố có
méo dưới công cụ cắt và trong phoi. Các phân tích với lưới mịn có
yếu tố ít méo hơn phân tích với lưới thô. Ta có kết luận rằng những
phân tích thực hiện "phân tích độ nhạy lưới 1" việc xoá các yếu tố
ăn mòn là nguyên nhân chính của sự biến động trong lực lượng
đầu ra.
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
-
. Phân tích lưới dạng 2: Lưới kích thước trên phôi, nơi dụng cụ có
thêm các yếu tố trên bề dày hơn phôi.
Ví dụ: Khi cắt với dụng cụ có 16 phần tử đối với phôi có 4
phần tử và 1 phần tử.
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Hình. 10. Phân tích 2: các lực lượng mô phỏng các lực cắt Fx và lực đẩy
FZ, để phân tích với một trong những phân tích nguyên tố với bốn yếu
tố trong hướng y, thời gian khoảng 120-600 μs
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Các lực đầu ra để phân tích được so sánh trong Hình.
10. Như trong hình 10 biến động của lực đầu ra là nhỏ hơn khi
có một số yếu tố trên phôi. Nhận xét từ những phân tích nó có
thể được kết luận rằng một lưới mịn trên phôi là cần thiết để có
thể giả lập một lực đầu ra mà không có biến động quá lớn. Điều
này là khác biệt nhất cho lực đầu ra, cho lực đẩy FZ.
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Từ hai thí nghiệm trên ta có sơ đồ tổng quát:
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
Khi sự khác nhau giữa các biến động của lực đầu ra từ "
phân tích lưới 1" được so sánh với sự khác biệt giữa các biến động
của lực lượng đầu ra từ “phân tích lưới 2", những biến động của lực
đầu ra có kích thước nhỏ khi lưới trên dụng cụ này là mịn hơn trên

phôi. Điều này cũng đã nêu bởi Bali: các cơ quan cân nhắc cần phải
có một lưới hợp lý tốt, khoảng cách nút trên bề mặt tiếp xúc của
một cơ thể cứng nhắc nên có thô hơn lưới của bất cứ phần nào biến
dạng mà tiếp xúc với cơ thể cứng nhắc " . Điều này có thể chỉ ra
rằng kích thước lưới tại các hướng y của dụng cụ này làm giảm sự
biến động của lực lượng đầu ra. Điều này có thể do thực tế là các
thuật toán liên lạc là nhạy cảm với kích thước lưới trên công cụ. Một
giải pháp, có thể được sử dụng để tránh vấn đề này, có thể được sử
dụng một bề mặt VDA thay vì một phần meshed cho công cụ cắt.
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt
3.1. Ảnh hưởng của bề rộng b và chiều sâu cắt a tới lực
cắt Pz.
Theo một số nghiên cứu, phương trình quan hệ giữa lực cắt P
z

và các thông số a, b tuân theo quy luật hàm số mũ.
P
z
= ca
x
b
y
Khi gia công các vật liệu như thép, gang và đồng thì x=1,0;
y=0,75 và c=150÷200.
log a
log k
i
1
b=1mm

k
2i
=-tgδ
i
log k
1i
δ
i
Hình 2. Sự phụ thuộc của lực cắt đơn vị k
i
vào chiều dày phoi a
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
3.2. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao tới
lực cắt.
Lực cắt P
z
tăng tỷ lệ với bề rộng cắt b hoặc chiều sâu cắt t
và với mức độ thấp hơn đối với chiều dày cắt a và lượng chạy
dao s. Lực cắt đơn vị p phụ thuộc vào chiều sâu cắt t và lượng
chạy dao s theo công thức sau:
p=P
z
/f = cts
0,75
/ts = c/s
0,25
Hiện nay, để tính các thành phần lực cắt có thể dùng các
công thức:
P
z

= c
1
ts
0,75
P
x
= c
2
t
1,2
s
0,55
P
y
= c
3
t
0,9
s
0,75
c
1
,c
2
,c
3
là các hằng số phụ thuộc vật liệu gia công
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
3.3. Ảnh hưởng của vật liệu gia công tới lực cắt
Khi gia công, kim loại bị biến dạng mạnh, lực cắt chịu

ảnh hưởng của lực ma sát của phoi và vật liệu gia công
với mặt trước của dao. Mặt khác trong quá trình gia công
kim loại vùng cắt bị nung nóng mạnh. Do đó không thể có
công thức tính chính xác để tính toán ảnh hưởng của vật
liệu gia công cũng như độ bền kéo δ
B
, độ cứng HB và một
số tính chất cơ lý khác tới lực cắt P
z
Thực tế để tính P
z
thường dùng các công thức:
P
z
= c
V
δ
B
q
P
z
= c
V
HB
q
trong đó q=0,5; c
V
: hệ số phụ thuộc vật liệu gia công
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
3.4. Ảnh hưởng của vật liệu dao tới lực cắt

Ảnh hưởng này tồn tại là do có lực ma sát xuất hiện
giữa vật liệu gia công và vật liệu dao.
Lực cắt đơn vị p cũng phụ thuộc vào vật liệu theo mức
độ khác nhau; cùng một tốc độ cắt nhưng lực cắt đơn vị khi
gia công bằng dao thép gió P18 lơn hơn lực cắt đơn vị khi
gia công bằng dao hợp kim T5K10 hoặc T48
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
3.5. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt
Trong vùng biến đổi của tốc độ cắt, khi co rút phoi giảm
thì lực cắt cũng giảm và ngược lại. Biểu đồ dưới thể hiện sự
phụ thuộc của lực cắt Pz vào tốc độ cắt v và góc trước γ khi
gia công thép 40X với chiều dày cắt a=0,2mm và bề rộng
cắt b=4mm.
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
3.6. Ảnh hưởng của các thông số hình học của
dao tới lực cắt
3.6.1. Ảnh hưởng của góc trước và góc sau tới lực cắt.
Khi góc trước γ tăng, điều kiện cắt nhẹ nhàng,
thoát phoi dễ, biến dạng của vật liệu gia công giảm
và hệ số co rút phoi cũng giảm, do đó lực cắt Pz
giảm.
Khi góc sau α giảm, tiếp xúc của dao và bề mặt
gia công tăng, làm cho lực ma sát và lực cắt tăng.
Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
3.6.2. Ảnh hưởng của góc cắt
δ
tới lực cắt.
Khi góc cắt δ tăng (nghĩa là góc trước γ giảm), áp lực
của phoi lên mặt dao tăng, bởi vì góc trượt giảm và biến
dạng của phoi tăng, đồng thời lực ma sát ở mặt trước

của dao cũng tăng.
Các nghiên cứu thực nghiệm đưa ra kết quả: Trong
phạm vi của góc δ từ 60
0
÷ 90
0
lực cắt Pz tỷ lệ thuận với
góc cắt δ. Như vậy, nếu lấy Pz khi δ = 75
0
là hệ số 1 (hệ
số cắt gọt được xác định khi δ = 75
0
) thì với δ bất kì, lực
cắt Pz được xác định theo công thức: