tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu mối QUAN hệ GIỮA CHẾ độ cắt và TUỔI bền DỤNG cụ PHỦ tialn KHI TIỆN TINH THÉP KHÔNG gỉ SUS 201
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.83 MB, 102 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
................ ...................
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT VÀ
TUỔI BỀN DỤNG CỤ PHỦ TiAlN KHI TIỆN TINH
THÉP KHÔNG GỈ SUS 201
23.
HOÀNG VĂN VINH
THÁI NGUYÊN - 2010
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
................ ...................
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT VÀ
TUỔI BỀN DỤNG CỤ PHỦ TiAlN KHI TIỆN TINH
THÉP KHÔNG GỈ SUS 201
Ngành
Mã số
Học viên
Người HD Khoa học
: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
:………………..23.
: HOÀNG VĂN VINH
: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN
THÁI NGUYÊN – 2010
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG
NGHIỆP
................ ...................
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
................ ...................
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT VÀ
TUỔI BỀN DỤNG CỤ PHỦ TiAlN KHI TIỆN TINH
THÉP KHÔNG GỈ SUS 201
Học viên
: HOÀNG VĂN VINH
Lớp
: K11 - CTM
Người HD khoa học : PGS. TS NGUYỄN QUỐC TUẤN
Người hướng dẫn khoa học
Học viên
PGS. TS NGUYỄN QUỐC TUẤN
HOÀNG VĂN VINH
Ban giám hiệu
Khoa Sau Đại học
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả, sô
liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bơ trong bất ky
cơng trình nào khác.
Tác giả ḷn văn
Hồng Văn Vinh
LỜI CẢM ƠN
Tác giả chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn
Quôc Tuấn trong suôt quá trình hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo Khoa
Cơ khí trường Đại học Kỹ tḥt Cơng nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện
giúp đỡ tận tình trong việc nghiên cứu đề tài.
Cuôi cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám
hiệu, Khoa Sau Đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành bản luận văn này.
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ....................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ hố miền tạo phoi...............................................................3
Hình 1.2: Miền tạo phoi................................................................................5
Hình 1.3: Miền tạo phoi với các vận tốc cắt khác nhau.............................5
Hình 1.4: Hệ thống lực cắt khi tiện..............................................................7
Hình 1.5: (a) Quan hệ giữa lực cắt và góc trước γn...................................9
(b) Ảnh hưởng của góc trước đến ứng suất n trên δụng cụ cắt...........9
Hình 1.6a: Ảnh hưởng của lượng chạy dao và độ cứng phôi đến lực cắt.9
Hình 1.6b,c: Ảnh hưởng bán kính mũi dao (b) và góc trước đến lực cắt
(c)
10
Hình 1.7: - (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt...........................................13
- (b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại...............13
Hình 1.8: Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và mơi trường phụ
thuộc vào vận tốc cắt [1].............................................................................14
Hình 1.9. Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác định tỷ lệ
nhiệt (β) truyền vào phơi [5].......................................................................15
Hình 1.10: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn.............................16
Hình 1.11: Độ nhám bề mặt........................................................................18
Hình 1.12: Ảnh hưởng của thơng số hình học của dao tiện tới độ nhám
bề mặt
26
Hình 1.13: Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia cơng thép
27
Hình 1.14: Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt............28
Hình 2.1: Cấu trúc lớp phủ........................................................................32
Hình 2.2: Bột phủ PVD...............................................................................32
Hình 2.3. Một số dụng cụ phủ....................................................................39
Hình 2.4: Sơ đồ 4 phương pháp phủ PVD cơ bản....................................40
Hình 2.5: Hình ảnh một số thiết bị phủ và sơ đồ thiết bị phủ PVD........43
Hình 2.6: Các dụng cụ được ứng dụng phủ PVD.....................................44
Hình 3.1: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục (a)
48
và khi cắt gián đoạn (b)..............................................................................48
Hình 3.2: Các dạng mịn phần cắt của dụng cụ........................................52
Hình 3.3: Các thơng số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau –
ISO3685
53
Hình 3.5: Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được bóc tách [27].57
Hình 3.6: Tuổi bền dụng cụ tính bằng phút [27]......................................57
Hình 3.7: Quan hệ giữa lượng mịn mặt sau và tuổi bền mảnh PCBN với
góc trước γn
58
Hình 3.8: Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mịn của dao.................59
Hình 3.9: Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao....................59
Hình 3.10: Quan hệ giữa V và T (đồ thị lơgarit)......................................60
Hình 4.1: Mơ hình hệ thống thí nghiệm....................................................66
Hình 4.2: Thí nghiệm trên máy tiện..........................................................67
Hình 4.3: Máy tiện thực hiện thí nghiệm (PRIMERO – PL 1840).........68
Hình 4.4: Dao tiện........................................................................................69
Hình 4.5:Vật liệu đang cắt trên máy..........................................................70
Hình 4.6: Đồ thị biểu diển ảnh hưởng của V, S đến tuổi bền khi t=0.3
mm
77
Hình 4.7: Ảnh SEM mẫu dao tiện khi chưa gia cơng...............................80
Hình 4.8: Ảnh SEM mẫu dao tiện sau 42 phút với V = 180(m/p), s =
0,05(mm/vòng), t=0.45 mm.........................................................................81
Với vận tốc cắt lớn, bước tiến nhỏ, chiều sâu cắt lớn (Hình 4.8), trong
q trình gia cơng nhiệt sinh ra lớn hơn nên các vết mịn dao có hiện
tượng chảy xệ, các phần tử các bít ở mũi dao có xu hướng kết dính nhau
bong ra từng mảng tạo mịn dao................................................................81
Hình 4.9: Ảnh SEM mẫu dao tiện sau 42 phút với V = 180(m/p), s =
0,15(mm/vòng), t=0.15 mm.........................................................................82
Hình 4.10: Ảnh SEM mẫu dao tiện sau 49 phút với V = 95(m/p), s =
0,15(mm/vịng), t=0.45 mm.........................................................................84
Hình 4.11: Ảnh SEM mẫu dao tiện sau 58.5 phút với V = 95(m/p), s =
0,05(mm/vòng), t=0.15 mm.........................................................................85
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ..................................11
Bảng 1-2: Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ cắt.....................12
Bảng 1-3: Các giá trị Ra, Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp nhám
bề mặt
19
Bảng 1-4: Chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công cơ. .21
Bảng 2-1: Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong
lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu.................................................................31
Bảng 2-2: Các dạng phủ PVD....................................................................33
Bảng 2-3: Khả năng gia công của vật liệu phủ.........................................34
Bảng 2-4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ................35
Bảng 3-1: Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và Thomas
[27]
56
Bảng 4-1. Thông số kỹ thuật cơ bản của máy...........................................67
Bảng 4-2: Giá trị tính tốn giá trị thơng số chế độ cắt v, s, t cho thực
nghiệm:
70
Bảng 4-3: Bảng quy hoạch các thơng số đầu vào thí nghiệm..................70
Bảng 4-4: Bảng kết quả các thí nghiệm.....................................................71
Bảng 4-5: Bảng thống kê kết quả đo tuổi bền với chế độ cắt khác nhau.
72
Bảng 4-6: Bảng tính tốn các giá trị Logarit............................................73
Bảng 4-7: Các giá trị tính tốn độ tin cậy.................................................75
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
ap: Chiều dày phoi
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
Kf: Mức độ biến dạng của phoi
θ: Góc trượt
γ: Góc trước của dao
Px: Lực chiều trục
Py: Lực hướng kính
Pz: Lực tiếp tuyến
V: Vận tôc cắt (m/phút)
S: Lượng chạy dao (mm/vòng)
t: Chiều sâu cắt (mm)
c : Nhiệt dung riêng
φ : Góc tạo phoi
K: Hệ sơ thẩm nhiệt
∆Fc, ∆Ft : Áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên vòng tròn mặt sau
µ : Hệ sơ ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước
Hv : Độ biến cứng (N/mm2)
r : Bán kính mũi dao
hmin: Chiều dày phoi nhỏ nhất
hs: Độ mòn giới hạn
T: Tuổi bền dụng cụ cắt
Ra, Rz: Độ nhám bề mặt
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
1
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong lĩnh vực gia cơng cơ khí, nhu cầu tăng năng śt, tăng độ chính
xác và nâng cao chất lượng bề mặt gia công càng ngày tăng. Nhiều biện pháp
đã và đang được thực hiện mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu này, một trong
những đôi tượng được nghiên cứu để giải quyết nhu cầu này là dụng cụ cắt.
Cho đến nay việc sử dụng dụng cụ phun phủ đã khá phổ biến trong gia cơng
cơ khí, các đề tài nghiên cứu các loại vật liệu cắt gọt cũng như phương pháp
tạo dụng cụ cắt mới khá nhiều tuy nhiên giá thành của loại dụng cụ này trên
thị trường hiện nay vẫn rất cao, trong khi đó việc nghiên cứu để sử dụng tôi
ưu một loại dụng cụ khi gia công một loại vật liệu cụ thể vẫn cịn chưa phổ
biến.
Gia cơng tiện là một phương pháp gia công được sử dụng rất phổ biến
vì vậy việc tìm được một tính tơi ưu trong gia cơng có một ý nghĩa rất lớn.
Hiện nay các loại chi tiết chế tạo từ loại vật liệu thép không gỉ được dùng
nhiều và yêu cầu ngày càng cao cho chất lượng và giá thành sản phẩm. Việc
tiện thép khơng gỉ tại Việt Nam hiện nay cịn gặp nhiều khó khăn do đây là
loại vật liệu dẻo dẫn nhiệt kém hay tạo dính làm cho dụng cụ chóng mòn. Vì
vậy một trong những vấn đề cần được nghiên cứu để có thể khai thác hiệu quả
hơn nữa việc sử dụng dụng cụ phun phủ khi gia công thép không gỉ hiện nay
là: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền của dụng cụ phủ
TiAlN khi tiện tinh thép khơng gỉ SUS 201”.
2. Mục đích
Xây dựng được môi quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền dụng cụ khi
gia công thép không gỉ bằng dao tiện phủ TiALN.
Tìm ra cơ sở cho việc tăng tuổi bền dao tiện phủ TiALN khi gia công
tinh thép khơng gỉ SUS 201.
Trường ĐHKTCN Thái Ngun
Hồng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài
- Ý nghĩa khoa học:
Về mặt khoa học đề tài phù hợp với xu thế phát triển của khoa học công
nghệ hiện tại.
Xây dựng được môi quan hệ giữa các thông sô của chế độ cắt với tuổi
bền của dao tiện phủ TiALN khi gia công vật liệu thép không ghỉ SUS 201.
Kết quả nghiên cứu sẽ làm cơ sở khoa học cho việc tơi ưu hóa, đồng thời
cũng đánh giá khả năng làm việc của dao tiện phủ khi gia công thép không gỉ.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể dùng cho việc lựa chọn bộ thông
sô chế độ cắt tôi ưu của v, s và t khi gia công thép không gỉ SUS 201 bằng
dụng cụ phủ TiALN. Kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho việc tăng tuổi bền
dụng cụ, tiết kiện chi phí gia cơng, hạ giá thành sản phẩm.
4. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Đôi tượng nghiên cứu của đề tài là các thông sô chế độ cắt, môi quan hệ
của chúng với tuổi bền.
Dao tiện ngồi phủ TiALN
Vật liệu gia cơng thép khơng gỉ SUS 201
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
3
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Chương 1
BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT KIM LOẠI,
CHẤT LƯỢNG LỚP BỀ MẶT SAU GIA CÔNG CƠ
1.1. Quá trình cắt và tạo phoi
Theo [1] quá trình cắt kim loại là quá trình lấy đi một lớp phoi trên bề
mặt gia cơng để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ bóng bề mặt theo
u cầu. Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động:
- Chuyển động cắt chính (chuyển động làm việc): khi tiện đó là chủn
động quay trịn của phơi.
- Chuyển động chạy dao: đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo
phoi liên tục trong suôt quá trình cắt. Khi tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc
của dao khi tiện mặt trụ.
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.
a.
b.
Hình 1.1: Sơ đồ hoá miền tạo phoi
Nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị sơ của
cơng cắt, độ mịn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào
quá trình tạo phoi.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
4
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
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 tương khu vực tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi
biến thành phoi, lớp cắt 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).
Trong miền này (như sơ đồ hoá hình 1.1) có những mặt trượt OA, OB,
OC, OD, OE. Vật liệu gia cơng trượt theo những mặt đó (là những mặt có ứng
suất tiếp có giá trị cực đại).
Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh
những biến dạng dẻo đầu tiên, và đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo
và đường AE - đường nôi 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 lớp 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 trên. 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 têchtua.
Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều.
Mức độ biến dạng của phoi:
Kf = Kbd + Kms
Ở đây:
(1-1)
Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
5
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Kms: 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.
Hình 1.2: Miền tạo phoi
Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia cơng
và điều kiện cắt (thông sô hình học của dao, chế độ cắt,…)
Hình 1.3: Miền tạo phoi với các vận tốc cắt khác nhau
Tơc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi. Tăng
tôc độ cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thể được giải thích
như sau:
Khi tăng tơc độ cắt, vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với
tôc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với tôc độ 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’ (hình 1.3).
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
6
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Tương tự như vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là
đường OE’ chậm hơn so với OE.
Như vậy ở tôc độ 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 (a1’
nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến dạng
của vật liệu gia cơng 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 và làm với phương chuyển động của dao
một góc bằng θ.
Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước cịn góc θ là góc trượt.
Góc trượt là một thông sô đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng
dẻo trong miền tạo phoi.
Theo hình 1.4 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của phoi
là a1 ta có:
r=
a
OC. sin θ
sin θ
=
=
a1 OC. cos(θ − γ ) cos(θ − γ )
(1-2)
Và do đó có thể tính θ theo cơng thức:
tgθ =
r. cos γ
1 − r. sin γ
và nếu đặt K =
tgθ =
(1-3)
1
thì ta có cơng thức sau:
r
cos γ
K − sin γ
(1-4)
1.2. Lực cắt khi tiện
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt
Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia cơng vật liệu có ý nghĩa cả về
lý thuyết lẫn thực tiễn. Trong thực tế, những nhận thức về lực cắt rất quan
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
7
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính tốn và thiết kế máy móc
thiết bị, v.v… Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt dụng cụ sẽ bị
mịn, bị phá huỷ. Mn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ thì phải hiểu
được quy ḷt tác động của lực cắt. Mn tính cơng tiêu hao khi cắt cần phải
biết lực cắt. Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hoá
lý thuyết quá trình cắt. Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt
thì các môi quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng. Điều đó có nghĩa là một mặt
lực cản cắt tác dụng lên vật liệu chông lại sự tách phoi, mặt khác lực cắt do
dụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [1], [7].
Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian
gia công thì lực cắt không phải là một hằng sô. Lực cắt được biến đổi theo
quãng đường của dụng cụ. Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại.
Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi
tiết gia công. Sau đó lực cắt giảm dần song khơng đạt đến giá trị bằng không
bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến
dạng phần tử khác [1], [7].
Hệ thông lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hình 1.4. Lực tổng hợp P
được phân tích thành ba thành phần lực bao gồm: lực tiếp tuyến P z (hay Pc),
lực hướng kính Py (hay Pp) và lực chiều trục (lực ngược với hướng chuyển
động chạy dao) Px.
Hình 1.4: Hệ thống lực cắt khi tiện
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
8
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Thành phần lực Pz là lực cắt chính. Giá trị của nó cần thiết để tính tốn
cơng śt của chủn động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết cơ cấu
chuyển động chính và của các chi tiết khác của máy cơng cụ.
Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết ảnh hưởng
đến độ chính xác gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt.
Lực cắt tổng cộng được xác định:
P= Px2 +Py2 +Pz2
(1-5)
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện
Lực cắt trong q trình gia cơng nói chung và khi tiện nói riêng đều chịu
ảnh hưởng của rất nhiều yếu tô khác nhau như: vật liệu gia công, thông sô
hình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt, v.v…
Abdullah và Ulvi [16] đã chỉ ra rằng, trong tiện cứng thép ổ lăn AISI
52100 (độ cứng 60HRC) thì góc trước của dao PCBN γn có ảnh hưởng lớn
đến lực cắt chính FC và lực hướng kính FP.
Qua hình 1.5a ta thấy rằng khi góc trước γn (xét về giá trị tuyệt đơi, bởi
góc trước γn <0) tăng thì lực cắt chính và lực hướng kính đều tăng, đặc biệt là
lực hướng tâm. Tuy nhiên, qua đồ thị quan hệ giữa ứng suất và góc trước thì
ta thấy rằng ứng suất trên dụng cụ cắt đạt giá trị nhỏ nhất khi γn = 300, đồng
Ứng suất (MPa)
thời ứng suất tương đương trên dụng cụ đạt giá trị lớn nhất khi γn = 200.
a.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
9
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
b.
Hình 1.5: (a) Quan hệ giữa lực cắt và góc trước γn
(b) Ảnh hưởng của góc trước đến ứng suất γn trên dụng cụ cắt
Hình 1.6a: Ảnh hưởng của lượng chạy dao và độ cứng phôi đến lực cắt
(với t=0,35mm; r=0,02mm; γn=200) [19]
Jiang Hua và các đồng nghiệp [19] cũng đã thí nghiệm tiện cứng với
thép ổ lăn AISI 5210 và chỉ ra rằng, độ cứng của vật liệu phôi, lượng chạy
dao, góc trước và bán kính mũi dao cũng ảnh hưởng đến lực cắt (hình 1.5).
Như vậy, lực cắt tăng biến thiên theo lượng chạy dao và bán kính mũi dao,
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
10
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
cũng như độ cứng của vật liệu gia công. Qua hình 1.6a thì ta thấy rằng lượng
chạy dao có ảnh hưởng lớn hơn so với độ cứng của phôi đến lực cắt. Cụ thể ở
lượng chạy dao 0,14 mm/vòng thì khi độ cứng phôi tăng từ 62 lên 66HRC thì
lực cắt chỉ tăng từ 200,9 lên 212,8N. Trong khi đó, lực cắt tăng từ 200.9 lên
370,65N khi thay đổi lượng chạy dao từ 0,14 lên 0,28mm/vịng. Cịn khi tăng
bán kính mũi dao và góc trước thì lực cắt đều tăng nhưng khơng đáng kể
(hình 1.6b,c).
Hình 1.6b,c: Ảnh hưởng bán kính mũi dao (b) và góc trước đến lực cắt (c)
(b): t=0,35mm; S=0.28mm/vòng; HRC=56; γn=200
(c): t=0,35mm; S=0.28mm/vòng; HRC=56; r=0,1mm [19]
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
11
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
1.3. Nhiệt cắt
1.3.1. Khái niệm chung
Biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, vùng biến dạng
thứ hai và ma sát giữa vật liệu gia công với các mặt của dụng cụ trong quá
trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở vùng gần lưỡi cắt dẫn đến làm giảm
sức bền của dao ở vùng này gây phá huỷ bộ phận đến toàn bộ khả năng làm
việc của lưỡi cắt. Nhiệt cắt và nhiệt độ trong dụng cụ tăng khi cắt với vận tôc
cao và lượng chạy dao lớn hoặc vật liệu gia cơng có nhiệt độ nóng chảy cao là
nguyên nhân làm giảm năng suất cắt gọt [5].
Lịch sử phát triển và sử dụng các loại vật liệu dụng cụ và đặc tính của
chúng thể hiện trong bảng 1.1. Ta thấy rằng phần vật liệu cứng trong dụng cụ
cắt tăng lên, do đó tính chịu mài mịn, tính chịu nhiệt tăng, tăng tuổi bền dụng
cụ và tăng được tôc độ cắt [1].
Bảng 1-1: Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ
Năm
Vật liệu dụng cụ
Vận tơc
cắt
(m/ph)
Nhiệt độ giới
hạn đặc tính
cắt
Độ cứng
(HRC)
1894 Thép cacbon dụng cụ
5
(0C)
200-300
1900 Thép hợp kim dụng cụ
8
300-500
60
1900 Thép gió
12
15-20
500-600
60-64
1908 Thép gió cải tiến
60
1913
Thép gió (tăng Co và
WC)
20-30
600-650
-
1931
Hợp kim cứng cácbit
vonfram
200
1000-1200
91
1934
Hợp kim cứng WC và
TiC
300
1000-1200
91-92
800
100000HV
1500
92-94
1955 Kim cương nhân tạo
1957 Gơm
Trường ĐHKTCN Thái Ngun
300-500
Hồng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
1965 Nitrit Bo
1970 Hợp kim cứng phủ (TiC)
12
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
100-200
(thép tôi)
1600
8000HV
300
1600
18000HV
Khả năng cắt của vật liệu Nitrit Bo trong bảng là rất cao và đang được
ứng dụng khá phổ biến trong gia cơng vật liệu có độ cứng cao cũng như trong
tiện cứng.
Bảng 1-2: Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ cắt
Cacbit
Vonfra
m
CBN
Kim cương
nhân tạo
3.8-7.0
3.4-4.3
3.5-4.2
13001700
14002400
30004500
4000-7000
430-630
300-400
580-680
680-890
Giới hạn bền (Mpam1/2)
8-18
2-7
6.7
8.89
Độ bền nhiệt (°C)
8001200
13001800
1500
600
Hệ sô truyền nhiệt (W/mK)
100
30-40
40-200
560
5.0-7.5
7.4-9.0
3.6-4.9
0.8
Khôi lượng riêng (g/cm3)
Độ cứng (HV 30)
Modul đàn hồi (GPa)
Hệ sô giãn nở vì nhiệt (10-6K-1)
Gôm sứ
nhân tạo
6.0-15.0
Cụ thể Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN) được coi là vật liệu có
độ cứng cao nhất chi sau kim cương nhưng lại có độ bền nhiệt cao hơn kim
cương (15000C) [b]. Bảng 1.2 thể hiện tính chất cơ - nhiệt của vật liệu dụng
cụ CBN so với một sơ loại vật liệu dụng cụ có tính năng cắt cao khác (Cacbit
Vonfram, gơm sứ nhân tạo và kim cương nhân tạo).
Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98% - 99% công suất cắt biến
thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt, vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt AB),
mặt trước (AC) và mặt sau (AD) như trên hình 1.7.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Hoàng Văn Vinh
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
13
Chuyên ngành công nghệ chế tạo
Hình 1.7: - (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt
- (b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại
Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào dao, phoi, phôi và môi trường với tỷ lệ
khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thông dao, phoi,
phôi và môi trường [1], [6]. Thực tế vận tôc cắt là nhân tô ảnh hưởng lớn nhất
đến tỷ lệ này, khi cắt với vận tôc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi
(hình 1.7b) [1].
Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:
Q = Qmặt phẳng cắt + Qmặt trước + Qmặt sau
(1-6)
Theo định luật bảo toàn năng lượng thì lượng nhiệt này sẽ truyền vào hệ
thông phoi, dao, phôi và vào môi trường theo công thức sau:
Q = Qphoi + Qdao + Qphôi +Qmôi trường
(1-7)
Tôc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi như khơng đáng kể trong
tính tốn khi mơi trường cắt là khơng khí.
Trường ĐHKTCN Thái Ngun
Hồng Văn Vinh
