MÔ PHỎNG TRƯỜNG NHIỆT độ TRÊN PHÔI TRONG QUÁ TRÌNH mài PHẲNGKHI GIA CÔNGVẬT LIỆU SKD61

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

MÔ PHỎNG TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRÊN PHÔI TRONG QUÁ TRÌNH MÀI
PHẲNGKHI GIA CÔNGVẬT LIỆU SKD61
SIMULATION OF THE TEMPERATURE FIELD ON THE WORKPIECE IN THE
SURFACE GRINDING PROCESS WITH SKD61 STEEL
Nguyễn Công Hồng Phong1a, Nguyễn Thị Phương Giang1b, Nguyễn Tiến Đông1c
1
Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
a
; ;
TÓM TẮT
Hiện tượng nhiệt trong quá trình gia công cắt gọt (gọi tắt là nhiệt cắt) là một vấn đề
quan trọng ảnh hưởng lớn tới chất lượng cơ lý tính của bề mặt chi tiết gia công.Việc nghiên
cứu các vấn đề về nhiệt cắt, đặc biệt là trong quá trình mài phẳng, cũng là một hướng nghiên
cứu mới và quan trọng ở Việt Nam. Bài báo này đề cập đến vấn đề mô phỏng trường nhiệt độ
trên phôi trong quá trình gia công mài phẳng trên vật liệu có độ cứng cao là thép làm khuôn
SKD61. Quá trình mô phỏng sử dụng mô hình mô phỏng nguồn nhiệt thay đổi (moving heat
source) và bộ giải nhiệt động học tức thời (transient thermal). Kết quả cho thấy đại lượng
công suất cắt hiệu dụng, ảnh hưởng bởi các thông số công nghệ của quá trình cũng như tính
chất của đá mài, có ảnh hưởng trực tiếp tới nhiệt độ tại vùng cắt tạo ra trường nhiệt độ thay
đổi trên bề mặt phôi.
Từ khóa: mài phẳng, pKD61, pngăi ̣t pắt moving heat source, transient thermal.
ABSTRACT
The cutting temperature in the machining process is a vital element which affects the
surface quality of the workpiece. Research about this field, especially in the surface grinding
process, is a new research trend in Vietnam. This report metion the simulation of the
temperature field on the workpiece in surface grinding process with high hardness material
SKD61 mold steel. The simulation has used the moving heat source model and the transient
thermal solution. The result showed that the magnitude of grinding power which is affected
by process parameter and grinding wheel charateristics has a driect effect to the temperature

at the cutting point and making a changing temperature field on the workpiece surface.
Keywords: surface grinding, SKD61 mold steel, cutting temperature, moving heat
source, transient thermal.

1. GIỚI THIỆU
Để đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công sau khi mài phẳng, ngoài các chỉ tiêu
đánh giá về độ chính xác hình học (kích thước, độ nhám bề mặt, độ phẳng…) còn phải kể đến
các yếu tố cơ lý tính , trong đó gồm có ứng suất dư bề mặt, độ cứng bề mặt sau khi mài, số
lượng vết nứt tế vi và tổ chức tế vi của bề mặt gia công. Nguyên nhân hình thành nên các yếu
tố này phần nhiều do tác động cơ học của hạt mài chuyển động cắt đã cào xước gây nên các
hiện tượng cơ học như biến dạng dẻo, biến dạng phá hủy nhưng quan trọng nhất là gây ra hiệu
ứng nhiệt. Vấn đề nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt đặc biệt là quá trình mài không phải là
vấn đề mới đối với khoa học thế giới, bằng chứng là các nghiên cứu về nhiệt sinh ra trong quá
trình mài đã xuất hiện từ những năm 50 của thế kỷ trước với các nghiên cứu về sự chuyển hóa
năng lượng. Sự phát triển của các mô hình nghiên cứu nhiệt sinh trong quá trình cắt và nhiệt
phân bố trên bề mặt chi tiết gia công đã được hoàn thiện vào năm 1996 với nghiên cứu về
“tính chất nhiệt của hạt mài hiệu quả” của Rowe và đang tiếp tục phát triển mạnh mẽ. Trong
616


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
các mô hình này, mô hình được sử dụng nghiên cứu nhiều nhất cả trong nghiên cứu về tác
động nhiệt vĩ mô (macro) và tác động nhiệt vi mô (micro) là mô hình nguồn nhiệt di chuyển
(moving heat source).[1]
Trong quá trình mài phẳng, lớp chiều sâu cắt bị hớt đi là rất nhỏ so với toàn bộ kích
thước của phôi, vì thế khi nghiên cứu tác động nhiệt trong quá trình mài phẳng, có thể bỏ qua
sự khác biệt về kích thước để cực tiểu hóa mô hình thành dạng mô hình ma sát trên mặt phẳng
mà ở đó đá mài đóng góp vai trò như một vật ma sát di chuyển trên bề mặt phôi, gây ra hiệu
ứng nhiệt mà ở đó nguồn nhiệt có độ dài 𝑙𝑐 di chuyển trên bề mặt phôi với tốc độ 𝑣𝑤 . Quá trình
này được mô phỏng lại sử dụng mô hình nhiệt động tức thời (transient thermal). Với mô hình

này các đại lượng đầu vào quá trình (nhiệt độ vùng tiếp xúc) thay đổi vị trí (di chuyển trên bề
mặt phôi) theo hàm thời gian với vận tốc bằng vận tốc phôi gây ra trường nhiệt độ trên phôi.
2. MÔ PHỎNG TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRÊN PHÔI TRONG QUÁ TRÌNH MÀI
PHẲNG VỚI VẬT LIỆU SKD61

Hình 1. Hình ảnh mài phẳng
Chế độ cắt
v,s,t,
đường
kính đá d

Start

Tính lc

Tính công suất
cắt

Tính các hệ số
cần thiết

Xác định qt
truyền vào phôi

ANSYS
TRANSIENT
THERMAL

Tính nhiệt độ
lớn nhất ở vùng

tiếp xúc

End

Hình 2. Mô hình mô phỏng quá trình
617

Mô phỏng
trường nhiệt
độ phân bố
trên bề mặt
phôi


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.1.Xác định các thông số cần thiết cho quá trình mô phỏng
2.1.1. Công suất cắt
Theo [2] công suất cắt hiệu dụng khi mài phẳng được tính theo công thức:
𝑁𝑒 = 𝐶𝑁 . 𝑣𝑤𝑟 . 𝑡 𝑥 . 𝑠 𝑦

(1)

Trong đó:
- 𝑁𝑒 là công suất cắt hiệu dụng (W)
- 𝑣𝑤 là vận tốc phôi (m/ph)
- 𝑠 là lượng chạy dao ngang (mm/ph)
- t là chiều sâu cắt (mm)
- 𝐶𝑁 ,r,x,y là các hệ số được tra trong bảng 5-55 theo [2]
2.1.2. Năng lượng riêng truyền vào phôi
Theo [1] năng lượng riêng trung bình của quá trình được tính bằng

𝑞0 = 𝑙

𝑁𝑒

(2)

𝑐 .𝑏𝑤

Trong đó:
- 𝑞0 là năng lượng riêng trung bình (J/𝑚𝑚3 )
- 𝑁𝑒 là công suất cắt hiệu dụng (W)
- 𝑙𝑐 (mm) là độ dài cung tiếp xúc được tính theo công thức:𝑙𝑐 = √𝑡. 𝑑 với d là đường
kính ngoài đá còn 𝑏𝑤 là chiều rộng đá mài (mm)
2.1.3. Nhiệt lớn nhất ở vùng tiếp xúc
Nhiệt độ lớn nhất ở vùng tiếp xúc được tính theo công thức
𝑇 = 𝐶. 𝑅𝑤 .

𝑞0
𝛽

𝑙

√𝑣𝑐

(3)

𝑤

Trong đó:
- T: nhiệt độ lớn nhất ở vùng tiếp xúc

- 𝑅𝑤 : hệ số truyền nhiệt vào phôi (trong trường hợp này 𝑅𝑤 =90%)
- 𝑞0 : năng lượng riêng trung bình của quá trình (J/𝑚𝑚3 )
- 𝑙𝑐 : chiều dài cung tiếp xúc (mm)
- 𝑣𝑤 : vận tốc phôi (lượng chạy dao) (m/ph)n
- C: hệ số được xác định thông qua hệ số Pe đặc trưng cho yếu tố công nghệ của quá
trình mài [1]
Pe
C
>10
1.06
0.2
0.95
𝑃𝑒
. √2. 𝜋 +
𝜋
2

<0.2

0.76

618


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong đó Pe được xác định bởi: 𝑃𝑒 =
𝑘

𝑣𝑤 .𝑙𝑐

4.𝛼

có α là hằng số xác định đặc tính nhiệt của

phôi với 𝛼 = 𝜌.𝑐(k(W/mK) là độ dẫn nhiệt, 𝜌(kg/𝑚3 ) là khối lượng riêng, c(J/kgK) là nhiệt
dung riêng của vật liệu phôi).
2.2. Mô phỏng trường nhiệt độ trên phôi trong trường hợp gia công vật liệu SKD61
2.2.1. Mô phỏng được thực hiện trên quá trình mài phẳng bằng đá mài thường
vớicác thông số quá trình như sau
- Các thông số của dụng cụ cắt:
𝑏𝑤

40

Mm

𝜂

0

%

- Các thông số công nghệ của quá trình được chọn:
v

35

m/s

𝑣𝑤

12

m/ph

s

28

mm/ph

t

0,015

mm

- Kích thước phôi SKD61: Dài 100mm X Rộng 40mm X Cao 30mm
- Đặc tính nhiệt của vật liệu SKD61
Độ dẫn nhiệt k

25

W/mK

Khối lượng riêng 𝜌

7850

Kg/𝑚3

Nhiệt dung riêngc

460

J/kgK

- Kết quả tính toán các thông số cần thiết:
lc

2.3

mm

N

40765

W

q0

44,478

J/mm3

T

308,95

°𝐶

Mô phỏng trường nhiệt độ trong quá trình mài sử dụng module Ansys Transient
Thermal với nguồn nhiệt độ Tmax thay đổi trên bề mặt phôi, năng lượng truyền vào phôi mô
tả dưới dạng thông lượng nhiệt (heat flux).
Trong nghiên cứu này, mô phỏng được thực hiện bằng bộ giải transient thermal của
phần mềm ANSYS Workbench. Quá trình mô phỏng tuân thủ theo các bước:
 Chia lưới phần tử.
 Thiết lập các đặc tính nhiệt của vật liệu (độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, khối lượng
riêng).
 Đặt các điều kiện biên (nhiệt độ, lượng nhiệt), thiết lập tốc độ di chuyển nguồn nhiệt.
 Giải bài toán xác định trường nhiệt độ.
2.2.2. Chia lưới phần tử và đặt điều kiện biên
- Chia lưới phần tử: Tiến hành chia lưới trên toàn phôi, dạng phần tử và kích thước phần
tử được thiết lập tự động bởi phần mềm. Hình 3 là kết quả chia lưới toàn phôi.

619


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 3. Chia lưới toàn thể tích phôi
- Thiết lập điều kiện biên về nhiệt độ: Nguồn nhiệt được tính toán có giá trị là 308oC
được đặt trên một diện tích có chiều rộng là chiều dài tiếp xúc trực tiếp và chiều dài là chiều
dài phôi. Để đơn giản hóa mô hình, ta coi nhiệt độ toàn bộ vùng tiếp xúc là như nhau và có
giá trị bằng giá trị nguồn nhiệt được tính toán. Hình 4 là quá trình đặt nguồn nhiệt di chuyển.

Hình 4. Đặt nguồn nhiệt di chuyển
- Tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt được thiết lập bằng cách thành lập bảng thời gian di
chuyển giữa các bước. Hình 5 là thống kê thời gian di chuyển giữa các bước

Hình 5. Thiết lập tốc độ di chuyển thông qua thời gian của mỗi bước
- Sau khi thiết đặt các điều kiện ta tiến hành cho phần mềm tính toán kết quả trường
nhiệt độ.
620


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Hình 6. Trường nhiệt độ trên phôi SKD61 trong quá trình gia công
Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ di chuyển được thể hiện bằng màu. Kết quả cho thấy
vùng màu đỏ có nhiệt độ cao nhất là 343℃. Có thể thấy rằng, vùng nhiệt lớn nhất là ở vùng
cắt, trường nhiệt độ sau đó lan tỏa trên toàn phôi. Như vậy có thể thấy rằng lớp bề mặt chịu
tác động nhiệt là lớn nhất.

4. THẢO LUẬN
Yếu tố chủ yếu tạo nên hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt gọt là công suất cắt 𝑁𝑒 , vì
nó ảnh hưởng trực tiếp tới nhiệt lượng truyền từ dụng cụ vào phôi cũng như nhiệt độ lớn nhất
tại vùng gia công. Trong công thức tính công suất cắt, có thể thấy rằng yếu tố công nghệ
(𝑣𝑤 ,s,t) có ảnh hưởng tới công suất cắt theo quan hệ hàm số mũ, tương tự đó là ảnh hưởng của
dụng cụ cắt và dạng mài (𝐶𝑁 ảnh hưởng bởi độ hạt, loại, độ cứng vật liệu làm đá và dạng
nguyên công mài).
Quá trình nhiệt lan tỏa trong phôi nhanh hay chậm tuân theo quy tắc truyền nhiệt của
nhiệt động học và có ảnh hưởng bởi bản chất nhiệt vật liệu. Trường nhiệt độ mô phỏng được
cho thấy rằng lớp bề mặt chịu nhiệt độ cao nhất nên các vấn đề ảnh hưởng đến cơ lý tính của
chi tiết sẽ hình thảnh trên lớp bề mặt có chiều dày khoảng vài micromet tùy theo tính chất vật
liệu cũng như thông số công nghệ. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng lớp bề mặt sẽ là lớp vật
liệu chịu tác động lớn nhất của nhiệt cắt do vùng nhiệt lớn phân bố chủ yếu ở vùng này. Nhiệt
cắt lớn sẽ gây ra các vấn đề như biến cứng, xuất hiện ứng suất dư, làm sinh ra các vết nứt tế vi

hay thay đổi tổ chức vật liệu của lớp bề mặt, gây ra các hiện tượng không mong muốn và làm
ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt gia công.
Có thể thấy rằng, bằng các công thức tính toán và mô phỏng ta đã xác định được ảnh
hưởng của thông số công nghệ và tính chất dụng cụ lên nhiệt cắt thông qua đại lượng công
suất cắt. Việc xác định được trường nhiệt độ phân bố trên bề mặt phôi sẽ giúp người kỹ sư
thiết kế công nghệ dự đoán được các vấn đề có thể xảy ra từ đó đưa ra các phương án khắc
phục mà cụ thể ở đây là thay đổi thông số công nghệ cho phù hợp với yêu cầu của chi tiết gia
công hoặc thay đổi đá mài để đạt được chất lượng mong muốn. Việc tính toán và mô phỏng
được trường nhiệt độ trong quá trình cắt gọt và xác định ảnh hưởng của các thông số công
nghệ cũng như đá mài tới nhiệt cắt giúp cho việc thiết kế công nghệ và chọn dụng cụ cắt được
trở nên dễ dàng hơn, khác với các phương pháp thực nghiệm truyền thống, khi đó người kỹ sư
621


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
sẽ phải cắt thử nhiều lần rồi mới đưa ra được công thức thực nghiệm xác định ảnh hưởng của
các yếu tố tới nhiệt cắt.
Kết quả và phương pháp mô phỏng cũng cho thấy ngoài phương pháp điều chỉnh thông
số công nghệ thì một phương pháp khác là thay đổi tính chất đá mài để đạt được nhiệt cắt
mong muốn. Một trong các hướng đi đó là sử dụng đá mài gián đoạn. Tác giả dự đoán rằng
các rãnh gián đoạn trên bề mặt cắt của đá sẽ làm gián đoạn quá trình tiếp xúc giữa đá và phôi
từ đó mà giảm công suất cắt, giảm nhiệt độ cắt.Các nghiên cứu [4],[5] đã chỉ ra rằng đối với
dạng vật liệu cứng (thép làm khuôn SKD61, thép 45 nhiệt luyện, vật liệu ceramic) với số rãnh
gián đoạn được bố trí phù hợp (Z=18) thì chất lượng bề mặt cũng như khả năng cắt của đá
mài dạng này có những đặc tính tốt hơn so với đá mài thường cùng loại.Tuy nhiên để xác định
chính xác sự ảnh hưởng của độ gián đoạn của đá mài 𝜂đến công suất cắt của quá trình thì cần
sử dụng biện pháp thực nghiệm. Qua đó sẽ xác định được chính xác ảnh hưởng của đá mài
gián đoạn đến nhiệt cắt của quá trình.

Hình 7. Đá mài gián đoạn

5. KẾT LUẬN
Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ trên phôi khi mài SKD61 với đá mài thường cho thấy:
- Vùng nhiệt độ lớn nhất tập trung ở lớp bề mặt, tác động tiêu cực đến cơ lý tính của vật
liệu chủ yếu sinh ra ở vùng này
- Nhiệt độ cắt bị ảnh hưởng bởi công suất cắt gọt hiệu dụng, đại lượng ảnh hưởng bởi
thông số công nghệ và hình dáng hình học của đá mài. Để cải thiện nhiệt cắt thì cần phải
giảm công suất cắt hiệu dụng bằng cách thay đổi thông số công nghệ hoặc thay đổi tính chất
của đá mài.
- Việc mô phỏng trường nhiệt độ trên phôi là một hướng đi mới nên được áp dụng để
dần thay thế cho các phương pháp thực nghiệm giúp giảm thời gian thiết kế công nghệ mà vẫn
đạt được hiệu quả mong muốn
622


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Sách:
[1] Marinescu, Ioan D,W. Brian Rowe, Boris Dimitrov. Tribology of Abrasive Machining
Processes -William Andrew, 2004.
[2] Nguyễn Đắc Lộc, Lê Văn Tiến, Ninh Đức Tốn, Trần Xuân Việt. Kổpt aypăông,png,ặpăăếpt ạop
máy – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2005.
[3] Bành Tiến Long, Trần Sỹ Túy, Trần Thế Lục “Nguyên lý gia công vật lịu” – Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2001.
Bài báo khoa học:
[4] Nguyễn Tiến Đông, Nguyễn Thị Phương Giang. Dăảpngăng,p,i ảmplựăpắt pkăi p,i apăông,pvật p
li ̣up ăerami ăp sửp dụng,p đáp mài p ăóp bềp mặt p làmp vi ̣ăp ,i ángp đoạn. Tạp chí khoa học và công
nghệ các trường đại học và kỹ thuật. Số 81.2011, trang 86-91.
[5] Nguyen thi Phuong Giang, Nguyen Tien Dong. Evaluation of the cutting capability of
work segmented grinding wheel by the productivity of hardened C45 steel grinding
process. RCMME 8th & 10th October 2014, Regional Conference in Mechanical and

Manufacturing Engineering, Hanoi, Vietnam. ISBN: 978-604-911-942-2; ME111- 34 –
38; 10/2014.

623