Luận văn thạc sĩ
1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP
ĐỖ NHƯ HỒNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI
THIỂU TỚI MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI
TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP 65Γ ĐÃ TÔI BẰNG
DAO PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT
THÁI NGUN - 2009
Đỗ Như Hồng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
2
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI
THIỂU TỚI MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI
TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP 65Γ ĐÃ TÔI BẰNG
DAO PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT
Học viên
: Đỗ Như Hồng
Người hướng dẫn khoa học : TS. Trần Minh Đức
THÁI NGUYÊN - 2009
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Luận văn thạc sĩ
3
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NGHIỆP
--------------o0o--------------
***
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:
ẢNH HƯỞNG CỦA BƠI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI
THIỂU TỚI MỊN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI
TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP 65Γ ĐÃ TƠI BẰNG
DAO PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT
Học viên: Đỗ Như Hồng
Lớp: CHK9
Chun ngành: Cơng Nghệ Chế Tạo Máy
Người HD khoa học: TS. Trần Minh Đức
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
TS. Nguyễn Văn Hùng
TS. Trần Minh Đức
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
HỌC VIÊN
Đỗ Như Hoàng
4
Luận văn thạc sĩ
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
LỜI NÓI ĐẦU
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT VÀ BÔI TRƠN
Trang
4
5
6
8
12
LÀM NGUỘI KHI PHAY
1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI
1.1.1 Khái niệm và phân loại phoi
1.1.2 Sự co rút phoi
1.2 LỰC CẮT GỌT
1.2.1 Cơ sở lý thuyết của lực cắt gọt
1.2.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt
1.3 HIỆN TƯỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT
1.3.1 Nhiệt cắt
1.3.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt
1.4 SỰ MÀI MÒN DAO
1.4.1 Biểu hiện ngồi của sự mài mịn dao
1.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao
1.4.3 Quy luật mòn của dụng cụ cắt
1.5 GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY
1.5.1 Khái niệm chung
1.5.2 Phân loại dao phay
1.5.3 Vật liệu chế tạo dao phay
1.5.4 Các thơng số hình học của dao phay
1.5.5 Các yếu tố của lớp cắt
1.5.6 Lực cắt khi phay
1.5.7 Độ mịn và tuổi bền của dao phay
1.6 BƠI TRƠN LÀM NGUỘI KHI PHAY MẶT PHẲNG
1.6.1 Các phương pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt
1.6.2 Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu
1.7 KHÁI QT TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ MQL TRONG GIA
12
12
13
14
14
16
17
17
19
19
19
21
23
24
24
25
26
27
28
30
31
32
32
33
34
CƠNG CẮT GỌT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Chương 2. ẢNH HƯỞNG CỦA MQL ĐẾN MÒN DAO VÀ ĐỘ
37
NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY THÉP ĐÃ TÔI BẰNG DAO
PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT
2.1 BƠI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU (MQL)
2.1.1 Khái niệm về MQL
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
37
37
Luận văn thạc sĩ
5
2.1.2 Các loại dung dịch bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt
2.1.3 Cách dẫn dung dịch vào vùng cắt trong MQL
2.1.4 Ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ MQL đến q trình gia
37
42
44
cơng
2.2 PHAY CỨNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MQL
47
VÀO PHAY CỨNG
2.3 GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Chương 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MQL ĐẾN MÒN
49
51
DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP
65Γ ĐÃ TÔI BẰNG DAO PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT
3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
3.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
3.1.2 Hệ thống thực nghiệm
3.1.3 Thiết bị thí nghiệm
3.2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.2.1 Mòn và cơ chế mòn của dao
3.2.2 Độ nhám bề mặt chi tiết
3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Chương 4. PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP
51
51
52
53
53
54
59
60
61
THEO
4.1 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN
4.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Phụ lục 1. CÁC ẢNH CHỤP MÒN DAO
Phụ lục 2. SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM
61
62
63
65
65
71
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ψ: góc tác động
β1: góc trượt
δ: góc cắt
γ: 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
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
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
7
t: chiều sâu cắt
S: lượng chạy dao
n: số vịng 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 q trình cắt
δ0: độ mịn dao
τ: thời gian làm việc của dao
ϕ: góc nghiêng chính của dao
α: góc sau
δ: 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 vịng
[u]: lượng mịn mặt sau cho phép
Ra: độ nhấp nhô bề mặt trung bình
MQL (Minimum Quantity Lubrication): Bơi trơn tối thiểu
Đỗ Như Hồng,Lớp CHCNCTMK9
8
Luận văn thạc sĩ
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tran
Bảng 1: Số liệu độ nhám Ra, Rz
Bảng 2: Số liệu độ mòn mặt sau dao
Bảng 3: Tuổi thọ dao ứng với độ mòn mặt sau cho phép [u] = 0,52
g
71
72
72
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Tran
g
Hình 1.1:
Hình 1.2:
Hình 1.3:
Hình 1.4:
Hình 1.5:
Hình 1.6:
Hình 1.7:
Hình 1.8:
Hình 1.9:
Hình 1.10:
Hình 1.11:
Hình 1.12:
Hình 1.13:
Hình 1.14:
Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo
Các loại phoi
Sơ đồ co rút phoi
Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi
Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do
Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt
Các dạng mòn của dụng cụ cắt
Mòn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt
Quy luật mòn của dụng cụ cắt
Các loại dao phay
Các thơng số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu
Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay
Sơ đồ tính góc tiếp xúc
Sơ đồ xác định chiều dày cắt và diện tích lớp cắt của răng
12
13
14
15
15
18
20
20
23
25
27
28
29
30
Hình 1.15:
Hình 1.16:
Hình 2.1:
Hình 2.2:
Hình 2.3:
Hình 2.4:
Hình 2.5:
Hình 2.6:
dao phay khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt
Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay
Các dạng mài mòn của răng dao phay
Các phần tử hòa tan trong nước
Các phần tử tích tụ khối và các phần tử hịa tan trong nước
Các phần tử hòa tan dưới dạng thể sữa
Các phần tử hịa tan trong hợp chất hóa học
Các phần tử hòa tan trong hợp chất dầu
Dẫn dung dịch trực tiếp vào vùng cắt từ hai mặt bên của
30
31
40
40
41
41
42
42
Hình 2.7:
dao
Dẫn dung dịch trực tiếp vào vùng cắt từ mặt trước và mặt
43
sau dao phay
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
9
Luận văn thạc sĩ
Hình 2.8:
Hình 3.1:
Hình 3.2:
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5:
Hình 3.6:
Dẫn dung dịch vào tất cả các lưỡi cắt
Sơ đồ nguyên lý phun MQL dạng sương mù
Ảnh hệ thống thực nghiệm
Ảnh so sánh mòn mặt trước dao
Ảnh so sánh mòn mặt sau dao
Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t
Biểu đồ so sánh tuổi bền của dao theo lượng mịn cho
43
51
52
55
57
58
59
Hình 3.7:
Hình 1:
Hình 2:
phép
Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t
Ảnh chụp TM-1000 mặt trước dao khi gia công khô
Ảnh chụp TM-1000 mặt trước dao khi gia công MQL-
59
65
66
Hình 3:
emunxi
Ảnh chụp TM-1000 mặt trước dao khi gia cơng MQL-dầu
67
Hình 4:
Hình 5:
lạc
Ảnh chụp TM-1000 mặt sau dao khi gia công khô
Ảnh chụp TM-1000 mặt sau dao khi gia công MQL-
68
69
Hình 6:
emunxi
Ảnh chụp TM-1000 mặt sau dao khi gia cơng MQL-dầu
70
lạc
LỜI NĨI ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Bơi trơn làm nguội kiểu tưới tràn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng
rãi trong gia công cắt gọt do dung dịch trơn nguội nâng cao được hiệu quả của
của quá trình gia cơng bởi chức năng bơi trơn, làm mát và làm đẩy phoi ra khỏi
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
10
vùng gia cơng của nó. Phương pháp này vẫn đang được các nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu với các hướng chủ yếu: nâng cao hiệu quả của bôi trơn làm
nguội, tiết kiệm dung dịch trơn nguội. Tìm các chất phụ gia nhằm nâng cao hoạt
tính của dung dịch trơn nguội. Nghiên cứu các loại dung dịch trơn nguội mới ít
độc hại, thân thiện với mơi trường....
Bơi trơn làm nguội kiểu tưới tràn rất khó giải quyết được vấn đề về sức
khỏe người thợ và ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, giá thành liên quan đến việc sử
dụng dung dịch trơn nguội ngày càng cao do luật môi trường ngày càng khắt khe
được áp dụng. Điều này đã đặt ra việc tìm tịi các giải pháp thay thế nhằm giảm
thiểu, thậm chí là tránh sử dụng dung dịch trơn nguội trong q trình gia cơng.
Một trong những giải pháp thay thế là gia công khô và gia công với MQL.
Gia công khô là mối quan tâm lớn và trên thực tế một số nhà nghiên cứu
đã thành công trong lĩnh vực sản xuất thân thiện với môi trường. Tuy nhiên trong
thực tế, các nghiên cứu đó ít có tác dụng khi mà hiệu suất gia cơng cao hơn, chất
lượng bề mặt tinh tốt hơn, các điều kiện cắt khắt khe hơn đặt ra. Trong tình
huống đó, gia công với MQL sử dụng lượng rất nhỏ dung dịch trơn nguội được
mong đợi trở thành công cụ mạnh và trên thực tiễn chúng giữ vai trò quan trọng
trong nhiều ứng dụng.
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 cơng tốc độ cao....
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
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
11
Ảnh hưởng của MQL đến mòn dao, độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước khi
tiện AISI-4340 [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 vào 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 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 cơng cắt gọt thì
nghiên cứu ứng dụng MQL trong phay mặt phẳng thép đã tôi bằng dao phay mặt
đầu cácbít chưa được nghiên cứu. Trong khi đó nhu cầu phay thép đã tơi ngày
càng tăng để tránh hoặc giảm bớt được ngun cơng mài. Chính vì vậy tác giả đã
chọn đề tài “ẢNH HƯỞNG CỦA BƠI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU TỚI MỊN DAO
VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP 65Γ ĐÃ TƠI BẰNG DAO
PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT”.
2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích của đề tài là nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MQL vào phay
cứng bằng dao phay mặt đầu trong điều kiện cụ thể của nước ta.
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
12
Đối tượng nghiên cứu là mòn và cơ chế mòn dao, độ nhám bề mặt chi tiết
khi phay mặt phẳng thép đã tôi bằng dao phay mặt đầu cácbít khi gia cơng khơ và
gia cơng MQL từ đó so sánh được hiệu quả của phương pháp gia công MQL so
với gia công khô trong phay cứng.
Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Nghiên cứu mòn và cơ chế mịn dao khi phay phẳng thép đã tơi bằng dao
phay mặt đầu cácbít dưới các điều kiện cắt khơ và MQL.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội đến mòn và độ
nhám bề mặt chi tiết khi phay phẳng thép đã tôi bằng dao phay mặt đầu sử dụng
công nghệ MQL.
- So sánh tuổi bền của dao khi phay phẳng thép đã tôi bằng dao phay mặt
đầu cácbít dưới các điều kiện cắt khơ và MQL.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của MQL đến độ nhám bề mặt chi tiết khi phay
phẳng thép đã tôi bằng dao phay mặt đầu cácbít.
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Kết quả của đề tài sẽ làm rõ ảnh hưởng của MQL trong phay cứng mặt
phẳng bằng dao phay mặt đầu so với gia công khô về độ nhám bề mặt chi tiết và
mịn dao. Từ đó làm giàu thêm kiến thức và kinh nghiệm về bôi trơn làm nguội
trong gia công cắt gọt.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Kết quả thực nghiệm của đề tài hồn tồn có thể triển khai vào sản xuất
nhằm nâng cao hiệu quả của q trình gia cơng chế tạo chi tiết máy và sản xuất
thân thiện với môi trường.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Với mục đích nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ MQL vào phay cứng, tác
giả chọn phương pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu
thực nghiệm trong đó nghiên cứu thực nghiệm là cơ bản. Nghiên cứu lý thuyết
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
13
Luận văn thạc sĩ
tổng quan các vấn đề liên quan đến gia công khô và gia công MQL trong phay
cứng từ đó định hướng cho nghiên cứu về mịn, cơ chế mòn dao và độ nhám bề
mặt chi tiết khi phay cứng. Nghiên cứu thực nghiệm để xác định được bản chất
mòn, cơ chế mòn và độ nhám bề mặt chi tiết từ đó so sánh được hiệu quả gia
cơng MQL so với gia công khô.
Thái nguyên, ngày
tháng
năm 2009
Người thực hiện
Đỗ Như Hồng
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CƠNG CẮT GỌT VÀ BƠI TRƠN LÀM NGUỘI
KHI PHAY
1.1 Q TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI
1.1.1 Khái niệm và phân loại phoi
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
14
Luận văn thạc sĩ
Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình
1a), sau đó bị biến dạng dẻo, q 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 1.1b). Hiện
tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1 ÷ 5 (hình 1.1c).
a)
b)
P
β
a
1
2
δ
a
ψ
C
P
B
c)
2
C
3
ψ
β1
P
δ
4
a
1
5
B
Hình 1.1. Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo
Biến dạng dẻo xảy ra trong vùng được giới hạn bằng góc Ψ, góc này được
gọi là góc tác động. Góc β1 gọi là góc trượt, cịn 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 δ nhỏ.
Hình 1.2 là các loại phoi được hình thành trong quá trình gia cơng các loại
vật liệu khác nhau.
Phoi dây (hình 1.2a) được hình thành khi gia cơng vật liệu dẻo với chiều
sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt và góc trước γ lớn [7].
Phoi xếp lớp (hình 1.2b) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với
chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước γ nhỏ [7].
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
15
Luận văn thạc sĩ
Phoi vụn (hình 1.2c) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với
chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước γ nhỏ [7].
Khi gia cơng các vật liệu giịn (gang) với chiều sâu cắt và góc trước γ lớn
thì phoi vụn (hình 1.2d) có hình dạng khơng giống nhau được hình thành.
b)
a
P
a
a)
C
P
B
d)
C
P
a
a
c)
C
B
P
B
Hình 1.2. Các loại phoi
1.1.2 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 1.3). Nhưng trong trường hợp này có sự thay đổi về
hình dáng, cịn thể tích vẫn được giữ ngun, cho nên chiều dài phoi L sẽ ngắn
hơn quãng đường mà dao đi qua L 0 (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
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
16
Luận văn thạc sĩ
L
a
L
a1
L0
Hình 1.3. Sơ đồ co rút phoi
l
β1
γ
l0
Hình 1.4. Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi
Khi xét một phần tử phoi (hình 1.4), hệ số co rút phoi sẽ bằng:
l0 sin(90 0 − β1 + γ ) cos( β1 − γ )
K= =
=
l
sin β1
sin β1
Trong thực tế, K = 1,5 ÷ 4.
Sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm sự co rút của phoi [7].
1.2 LỰC CẮT GỌT
1.2.1. 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 1.5a là sơ đồ lực tác động lên phơi khi cắt tự do.
Đỗ Như Hồng,Lớp CHCNCTMK9
17
Luận văn thạc sĩ
R1
b) N'
γ
v
F0
R1
R0
N'
c)
R0
R1
R
N
α
F0'
F'
0
δ
a)
d)
L0
y
Py
R
Pz
z
Hình 1.5. Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do
Mặt trước của dao chịu tác dụng của lực R 0, lực R0 là tổng hợp lực pháp
tuyến N và lực ma sát của phoi lên mặt trước F 0, 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 F 0’ là R1. Vì góc sau α nhỏ và có độ
mịn ở mặt sau của dao, cho nên ta có thể tính lực như trên hình 1.5b, 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 ngồi phải có một lực tác dụng
lên dao R = R0 + R1 (hình 1.5c).
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 = Ncosγ + F0sinγ + F0’
Py = -Nsinγ + F0cosγ+ N’
Lực pháp tuyến N có thể xác định theo công thức gần đúng sau đây:
N = σ 0 tSK m
Ở đây:
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
18
Luận văn thạc sĩ
σ0: giới hạn chảy của vật liệu gia công khi bị nén (kG/mm2);
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 cơng).
Ngồi hai thành phần lực Pz và Py cịn 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 cơng bình
thường có thể được tính như sau [7]:
Px = (0,2 ÷ 0,3)Pz
Py = (0,3 ÷ 0,4)Pz
1.2.2. Ảnh hưởng 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 cơng 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 cơng thép 10 với
tốc độ cắt cao và dùng dung dịch trơn nguội emunxi, lực cắt P z lớn hơn chút ít so
với trường hợp gia cơng khơng 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 cơng 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].
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
19
Luận văn thạc sĩ
1.3 HIỆN TƯỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT
1.3.1 Nhiệt cắt
Hiện tượng nhiệt trong q trình cắt đóng vai trị 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
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 cơng A (kGm) sinh ra trong q trình hớt
phoi. Cơng 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, cơng A được tính theo cơng 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: A 1 = 55%, A2 =
35%, A3 = 10%. Nếu lấy quãng đường mà dụng cụ đi qua trong một phút, ta có
cơng 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);
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
20
Luận văn thạc sĩ
VF =
V
: tốc độ chuyển động của phoi ở mặt trước của dao
K
(m/phút);
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.
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 q trình cắt lan tỏa từ điểm có nhiệt độ cao nhất đến điểm có
nhiệt độ thấp nhất. Nhiệt trong q 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 1.6). Có một phần nhỏ
nhiệt tỏa ra vào mơi trường xung quanh.
Đường đẳng nhiệt
a
Vùng trượt
II
III
IV
I
Hình 1.6. 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 cơng 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 cơng ở cơng thức 1;
Đỗ Như Hồng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
21
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 cơng với tốc độ cắt
khơng lớn (30 ÷ 40 m/phút) tỉ lệ nhiệt như sau: Q p ≈ 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 khẳng định rằng tính dẫn nhiệt của chi tiết gia cơng càng nhỏ thì
nhiệt tỏa vào dụng cụ càng lớn [7].
Khi cắt với tốc độ V = 10 m/phút, nhiệt độ lớn nhất trên mặt trước của dao
khoảng 5400C, còn trên khoảng cách 0,2 mm của mặt trước nhiệt độ khoảng
4500C. Khi tốc độ cắt là V = 200 m/phút nhiệt độ ở các nơi tương ứng là 1265 0C
và 4000C [7].
Khi gia cơng vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, ví dụ hợp kim Titan BT2 thì
nhiệt độ vào dao lớn hơn khi gia công các vật liệu thông thường khác.
Khi nói về nhiệt độ cắt, cần nhớ rằng nó có giá trị khơng như nhau ở các
điểm khác nhau của vùng cắt. Ở các điểm khác nhau của bề mặt dụng cụ và phoi
có nhiệt độ khác nhau. Ngồi ra, tại mỗi điểm nhiệt độ có thể thay đổi theo thời
gian. Nhiệt độ cao nhất tồn tại ở tâm áp lực của phoi xuống dao và ở lưỡi cắt
chính [7].
1.3.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt
Dung dịch trơn nguội xâm nhập vào vùng cắt có tác dụng làm mát và tải
nhiệt ra khỏi vùng cắt, do đó làm nhiệt độ vùng cắt giảm xuống [7].
1.4 SỰ MÀI MỊN DAO
1.4.1 Biểu hiện ngồi của sự mài mòn dao
Do áp lực, nhiệt độ và tốc độ cắt, các bề mặt tiếp xúc của dao trong quá
trình sử dụng bị mài mòn. Tất cả các loại dụng cụ đều bị mài mòn: theo mặt sau
(dạng mài mòn thứ nhất) hoặc theo mặt sau và mặt trước (dạng mòn thứ hai). Cả
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
22
Luận văn thạc sĩ
hai loại mòn này đều tồn tại khi gia công với mọi chế độ cắt được dùng trong sản
xuất.
Khi mịn theo dạng thứ nhất (hình 1.7a) ở mặt sau của dao tạo thành tiết
diện mịn có bề rộng là δ. Dọc theo lưỡi cắt chính bề rộng của tiết diện mịn nhìn
chung rất nhỏ.
Về ngun tắc, bề rộng lớn nhất của tiết diện mòn tồn tại ở mặt sau của
dao hoặc ở chỗ chuyển tiếp giữa lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ (hình 1.8a). Trong
một số trường hợp ở điểm của lưỡi cắt chính tương ứng với bề mặt gia cơng tồn
tại mịn cục bộ có hình dạng như cái lưỡi (hình 1.8b).
a)
b)
f
c)
l
δ
δ1
δ1
δ
δ
l
Hình 1.7. Các dạng mịn của dụng cụ cắt
a)
b)
Hình 1.8. Mịn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt
Khi mòn theo dạng thứ hai thì ngồi mặt sau bị mịn, mặt trước cũng bị
mịn (hình 1.7b). Mịn mặt trước có hình dạng đặc thù riêng. Dưới tác dụng của
phoi ở mặt trước của dao tồn tại một vết lõm có bề rộng l và chiều sâu δ1 (hình
1.7b). Cạnh ngồi của vết lõm nằm gần song song với lưỡi cắt chính, cịn chiều
dài b của vết lõm bằng chiều dài làm việc của lưỡi cắt chính. Tùy thuộc vào tốc
độ cắt và khoảng cách giữa cạnh ngồi vết lõm và lưỡi cắt chính có thể thay đổi.
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
23
Khi gia công thép với tốc độ cắt thấp và trung bình bằng dao thép gió, lưỡi cắt
chính và cạnh ngồi của vết lõm tồn tại khoảng cách f (gọi là đoạn nối ngang),
đoạn f này giảm dần theo chiều tăng của diện tích vết lõm. Điều này có liên quan
đến lẹo dao, lẹo dao giữ cho mặt trước không bị phoi cọ sát nhiều. Khi gia công
thép với tốc độ cắt lớn bằng dao hợp kim cứng khơng tồn tại lẹo dao cho nên
cạnh ngồi của vết lõm trùng với mặt sau của dao, do đó mặt trước của dao chỉ
tồn tại vết lõm (hình 1.7c).
Dạng mòn của dụng cụ cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công, chiều dày cắt
a và tốc độ cắt v. Khi gia cơng các vật liệu dẻo (thép) mịn dao xảy ra theo dạng
thứ nhất và dạng thứ hai. Khi gia cơng các vật liệu giịn (gang) mịn dao xảy ra
theo dạng thứ nhất nhiều hơn dạng thứ hai [7].
Chiều dày lớp cắt và tốc độ cắt có ảnh hưởng như nhau đến dạng mòn của
dụng cụ. Khi cắt với chiều dày cắt nhỏ (< 0,1 mm) và tốc độ cắt thấp, dao mòn
theo mặt sau (dạng mòn thứ nhất). Khi tăng chiều dày cắt và tốc độ cắt ngoài mặt
sau ra, mặt trước của dao cũng bị mòn (dạng mòn thứ hai). Hơn nữa, chiều dày
cắt a và tốc độ cắt v càng tăng thì mặt trước càng mịn nhanh hơn mặt sau [7].
Góc trước γ và dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng khơng đáng kể đến
dạng mịn của dao [7].
1.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao
Mặc dù mài mòn của dụng cụ cắt là chỉ tiêu quan trọng của khả năng làm
việc của dụng cụ, nhưng bản chất vật lý của mài mòn vẫn chưa được nghiên cứu
sâu do tính phức tạp của quá trình tiếp xúc xảy ra ở mặt trước và mặt sau của
dao. Có nhiều giả thuyết giải thích bản chất vật lý của sự mài mòn dụng cụ. Theo
các giả thuyết này thì các ngun nhân chính gây ra mịn các bề mặt tiếp xúc của
dụng cụ là:
a) Tác động hạt mài do vật liệu gia công gây ra (gọi là mòn hạt mài).
b) Tác động qua lại của giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia cơng (mịn
tiếp xúc).
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
24
c) Sự khuyếch tán của vật liệu dụng cụ vào vật liệu gia cơng (mịn
khuyếch tán).
d) Các hiện tượng hóa học xảy ra ở mặt trước và mặt sau của dao (mịn
oxy hóa).
Dưới đây ta phân tích từng trường hợp cụ thể:
- Mịn hạt mài: khi có ma sát của phôi với mặt sau và ma sát của phoi với
mặt trước của dao, các hạt tinh thể cứng của vật liệu gia công làm xước vật liệu
dao và dần dần phá hủy mặt dao. Cường độ mòn hạt mài tăng khi lượng xêmentít
(HB = 800) trong thép (vật liệu gia cơng) tăng. Lẹo dao có thể làm xước bề mặt
dụng cụ nhanh hơn cả vật liệu gia công bởi độ cứng của lẹo dao cao hơn nhiều so
với độ cứng của vật liệu gia cơng. Mịn hạt mài của dụng cụ bằng thép dụng cụ
và thép gió nhanh hơn so với dụng cụ bằng hợp kim cứng, bởi vì dao hợp kim
cứng có độ cứng rất cao.
- Mòn tiếp xúc: bề mặt của phoi và mặt trước của dao khơng phải là các bề
mặt có độ nhẵn bóng tuyệt đối, vì vậy chúng chỉ tiếp xúc với nhau theo các đỉnh
nhấp nhô. Điều này gây ra áp lực lớn phá vỡ các màng bị oxi hóa, do đó xảy ra
hiện tượng hàn nguội giữa vật liệu phoi và bề mặt dụng cụ ở các điểm tiếp xúc
thực tế. Sự hàn nguội này xảy ra với xác suất lớn hơn khi nhiệt độ cắt cao. Khi
phoi dịch chuyển theo bề mặt dao, tại các chỗ tiếp xúc xuất hiện ứng suất cắt và
kết quả các hạt kim loại ở mặt trước của dao bị bóc tách, có nghĩa là bị mài mòn.
- Mòn khuyếch tán: nhiệt độ và biến dạng dẻo ở bề mặt tiếp xúc gây ra
quá trình khuyếch tán ở vật liệu dao và vật liệu gia công. Trong trường hợp này
khuyếch tán không xảy ra đối với các phân tử của liên kết hóa học, mà khuyếch
tán chỉ xảy ra đối với các phân tử riêng biệt của liên kết này. Ví dụ, các phân tử
Cácbon, Vơnfram, Titan, Cơban có trong thành phần của hợp kim cứng dụng cụ.
Theo quy luật phát triển của lớp khuyếch tán thì tốc độ khuyếch tán tăng
nhanh ở giai đoạn đầu của quá trình khuyếch tán. Trong quá trình cắt thời gian
tiếp xúc của phoi và dao xảy ra rất nhanh (% hoặc phần nghìn giây), vì vậy
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
Luận văn thạc sĩ
25
những phần khác nhau của vật liệu gia công liên tục tiếp xúc với bề mặt dụng cụ,
làm cho quá trình khuyếch tán ở giai đoạn đầu tăng mạnh, gây ảnh hưởng lớn
đến cường độ mòn của dụng cụ.
- Mịn oxy hóa: giả thuyết về mịn oxy hóa được đưa ra trên cơ sở ăn mịn
của các hợp kim cứng khi chúng bị nung nóng trong mơi trường Oxy và sự
khơng thay đổi tính chất của lớp bề mặt hợp kim cứng khi chúng bị nung nóng
trong các loại khí như Acgơn, Nitơ và Gheli. Theo giả thuyết này, khi nhiệt độ
cắt 700 ÷ 8000C Oxy của khơng khí tham gia vào phản ứng hóa học với pha của
Cơban trong hợp kim cứng và Cácbít Vơnfram, Cácbít Titan. Do hợp kim cứng
có độ xốp lớn cho nên q trình oxy hóa khơng chỉ xảy ra trên các lớp bề mặt
tiếp xúc của dụng cụ mà còn ở các hạt vật liệu (hợp kim cứng) nằm sâu dưới lớp
bề mặt. Sản phẩm oxy hóa của Cơban là các ôxít Co 3O4, CoO và cácbít WO3,
TiO2. Độ cứng của các sản phẩm oxy hóa thấp hơn độ cứng của hợp kim cứng
khoảng 40 ÷ 60 lần. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho lực ma sát ở mặt trước
và mặt sau của dao san phẳng các hạt cácbít và mài mịn các bề mặt này. Khi
lượng Cơban trong hợp kim cứng tăng thì tốc độ oxy hóa tăng, do đó bề mặt
dụng cụ bị mài mịn tăng. Khi cắt trong mơi trường khí Acgơn, Gheli và Nitơ có
thể giảm được cường độ mòn của dụng cụ.
1.4.3 Quy luật mịn của dụng cụ cắt
Hình 1.9. Quan hệ giữa độ mịn và thời gian làm việc của dao
Hình 1.9 là quan hệ phụ thuộc giữa độ mòn δ của dụng cụ cắt và thời gian
làm việc của nó τ (gọi là đường cong mịn).
Đường cong mịn có thể chia làm ba phần:
Đỗ Như Hoàng,Lớp CHCNCTMK9
