Cơ Sở Vật Lý Của Quá Trình Cắt Kim Loại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÀI GIẢNG

C¾t kim lo¹i

GIẢNG VIÊN NGUYỄN ICH

KHOA CƠ KHÍ


Chươngư3
ưCơưsởưvậtưlýưcủaưquáưtrìnhưcắtưkimưloại

Mục đích:
Cắt kim loại là một quá trình phức tạp liên quan đến nhiều
hiện tợng vật lý nh: quá trình tạo phoi, nhiệt cắt, biến dạng, rung
động, mòn dao... Chúng ảnh hởng quyết định đến năng suất và
chất lợng gia công. Ta phải nắm vững bản chất vật lý của các quá
trình ấy để điều khiển quá trình cắt sao cho đạt đợc năng suất cao
nhất, chất lợng tốt nhất và gía thành rẻ nhất.
Yêu cầu:
Nắm vững bản chất vật lý của các quá trình: Tạo phoi,
nhiệt cắt, biến dạng, rung động, mòn dao... và các nhân tố ảnh h
ởng đến các hiện tợng ấy trên máy tiện.

SLIDE 1

3.1. Sự hình thành và biến dạng của phoi
3.1.1.Qúa trình hình thành phoi:
Khi cắt, lực tác dụng phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim
loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu đợc gia
công. Lớp kim loại bị cắt bỏ đi trong một lần cắt gọi là phoi.
Khi bắt đầu cắt dới tác dụng của lực P dao nén vật liệu gia
công theo mặt trớc, trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng
đàn hồi. Biến dạng này nhanh chóng chuyển sang biến dạng
dẻo. Và sau đó một lớp phoi có chiều dày a1 đợc hinh thành từ
lớp kim loại bị cắt có chiều dầy a. Trong quá trinh cắt phoi di
chuyển dọc theo mặt trớc của dao.
Việc nghiên cứu kim loại trong khu vực tạo phoi đã
chứng tỏ rằng trớc khi biến thành phoi lớp kim loaị bị cắt
đã trải qua một giai đoạn biến dạng ác liệt. Nh vậy giữa phôi
và phoi có một miền trung gian gọi là miền tạo phoi.


Hinh 3.1 MiÒn t¹o phoi AOF

Miền tạo phoi giới hạn bởi đờng OA, dọc theo đó phát
sinh những biến dạng đầu tiên và đờng OF là đờng kết thúc
biến dạng dẻo. OA, OB, OC, OD, OE là các mặt trợt, kim loại
bị trợt theo các mặt đó. Trong quá trình cắt miền tạo phoi AOF
di chuyển cùng với dao.
Nh vậy trong quá trình cắt phôi bị biến dạng mạnh mẽ và
chuyển thành phoi. Mặt khác khi di chuyển chúng còn bị biến
dạng thêm do ma sát với mặt trớc. Lại vì biến dạng có tính lan
truyền nên phần kim loại phía dới đờng ON cũng bị biến dạng
dẻo.
Có nhiều nhân tố ảnh hởng đến miền tạo phoi. Nhng ngời
ta thấy rằng ảnh hởng của vận tốc cắt là lớn nhất. Thật vậy
vận tốc cắt tăng lên thì diện tích miền tạo phoi co hẹp lại. Khi
vận tốc rất lớn có thể coi miền tạo phoi là đờng OF. Mặt OF
gọi là mặt trợt quy ớc, góc = gọi là góc trợt.
3.1.2. Các dạng phoi :


Tuú theo vËt liÖu gia c«ng, th«ng sè h×nh häc cña dao vµ chÕ ®é
c¾t phoi c¾t ra cã thÓ cã nhiÒu h×nh d¹ng kh¸c nhau

Hinh 3.2 C¸c d¹ng phoi

a/ Phoi dây:
- Phoi dây thu đợc khi gia công vật liệu dẻo với tốc độ cắt cao,
chiều dày cắt bé. Phoi kéo dài liên tục mặt kề với mặt trớc của
dao rất bóng, mặt đối diện hơi bị gợn, chất lợng bề mặt gia
công cao.
a/ Phoi xếp:
- Dạng phoi này thu đợc khi gia công vật liệu dẻo ( thép, đồng
thau ... ) ở tốc độ cắt thấp chiều dày cắt lớn và góc cắt của dao
có giá trị tơng đối lớn. Phoi xếp kéo dài thành từng đoạn ngắn,
mặt đối diện với mặt trớc của dao rất bóng, mặt kia có nhiều
gợn nẻ. Nhìn chung phoi có dạng từng đốt xếp lại Phoi xếp có
độ cứng cao hơn vật liệu gia công từ 2-3 lần chứng tỏ nó bị
biến dạng rất lớn và đợc hoá bền ở mức độ cao. Khi cắt ra
phoi xếp có hiện tợng rung động và chất lợng bề mặt gia công
không cao.


c/ Phoi vụn :
- Khi gia công vật liệu dòn ta thu đợc phoi vụn. Dao không cắt mà
dờng nh dứt nó lên, phoi vụn rất cứng chứng tỏ nó cũng bị biến
dạng nhiều. Khi cắt ra phoi vụn có hiện tợng rung động, nhiệt cắt
cao nên chất lợng bề mặt gia công rất thấp, dao bị mòn rất nhanh.
Chú ý:
Khi dao quá mòn dù cắt vật liệu dẻo cũng cho ra phoi vụn.
Điều đó chứng tỏ khi dao quá mòn điều kiện cắt rất xấu, phoi vụn

bị biến dạng ác liệt.
Nh vậy qua hình dạng các loại phoi ngời ta cũng sơ bộ
đánh giá đợc điều kiện gia công thuận lợi hay khó khăn.


Hinh 3.3: C¸c d¹ng phoi chñ yÕu:
a- Phoi vôn; b-Phoi xÕp; c- Phoi d©y










3.2.Hiện tợng lẹo dao
3.2.1.Hiện tợng (Phenomenon):
Trong quá trình cắt ra phoi dây trên mặt trớc của dao kề
ngay lỡi cắt thờng xuất hiện những lớp kim loại có cấu trúc
kim tơng khác hẳn với vật liệu gia công và vật liệu làm dao.
Lớp kim loại này thờng bám khá chắc vào lỡi cắt của dao,
chúng đợc gọi là lẹo dao. Lẹo dao đặc trng bởi hai yếu tố:
Chiều cao lẹo dao và góc trớc của lẹo dao. Độ cứng của lẹo
dao cao cao hơn độ cứng của kim loại nền 2,5 ữ 3,5 lần do vậy
lẹo dao đóng vai trò nh 1 lỡi cắt.
3.2.2. Phân loại( Classification):
Có hai loại lẹo dao :
- Lẹo dao ổn định: Nằm dọc theo lỡi cắt trong suốt quá trình

cắt, thờng xuất hiện khi cắt thép với chiều dày cắt bé.


- Lẹo dao chu kỳ : Gồm hai lớp, lớp nằm sát với mặt trớc là lẹo dao
ổn định. Trên nền đó hình thành lớp thứ hai. Lớp này lớn lên rồi
bong ra nhiều lần trong một đơn vị thời gian gây rung động và làm
thay đổi các góc cắt của dao.

Hinh 3.5. Các loại lẹo dao











3.2.3. Giải thích ( Explanation) :
Do chịu áp lực rất lớn và nhiệt độ cao nên lớp kim loại
nằm kề với mặt trớc chịu biến dạng rất lớn. Mặt khác do ma
sát với mặt trớc lớp kim loại ấy di chuyển chậm và trong điều
kiện nào đó chúng nằm lại mặt trớc và tạo thành lẹo dao. Điều
kiện hình thành và mất đi của lẹo dao có thể giải thích bằng
quan hệ sau:

T Q +S
Với T là lực ma sát giữa phoi và mặt trớc
Q là lực liên kết trong nội bộ lớp kim loại bị cắt
S là lực thoát phoi
Lẹo dao ổn định khi lực ma sát T lớn hơn tổng hình học
của Q và S. Khi lẹo dao cao đến một mức nào đó ma sát giảm
đi T nhỏ hơn Q và S thì lẹo dao bong ra. Qúa trình nh thế cứ
tiếp tục.


Hinh 3.6. Giai thÝch hiÖn tîng lÑo dao










3.2.4.ảnh hởng của các yếu tố đến lẹo dao:
a, Tốc độ cắt: Là yếu tố ảnh hởng nhiều nhất đến lẹo dao.
ở khu vực I tốc độ cắt thấp, biến dạng ít, không có lẹo dao
ở khu vực II tốc độ cắt tăng, biến dạng tăng, ma sát tăng
chiều cao lẹo dao tăng dần đạt mức lớn nhất.
ở khu vực III ma sát giảm dần nên chiều cao lẹo dao giảm
ở khu vực IV tốc độ rất lớn, biến dạng nhỏ, không có lẹo dao

Hinh 3.8. anh hởng của tốc độ cắt đến lẹo dao

3.2.5. Tác dụng của lẹo dao:
- Khi gia công thô lẹo dao có lợi vì nó làm tăng góc trớc
khiến cho quá trình tạo phoi dễ dàng. Lẹo dao còn thay thế lỡi
cắt khi làm việc, bảo vệ lỡi cắt, làm lỡi cắt đỡ bị mài mòn.
- Khi gia công tinh nói chung lẹo dao không có lợi vì nó
sinh ra, mất đi liên tục gây rung động. Mặt khác lẹo dao bong
ra có thể bám dính vào bề mặt đã gia công khiến độ nhẵn của
bề mặt gia công giảm đi.
3.2.6. Các biện pháp khắc phục:
Để khắc phục hiện tợng lẹo dao ngời ta làm giảm ma sát trên
mặt trớc, tăng góc trớc, dùng dung dịch trơn nguội, mài bóng l
ỡi cắt ...

3.3. Hiện tợng co rút phoi
3.3.1.Hiện tợng:
Khi cắt kim loại dẻo ngời ta thấy rõ hiện tợng: chiều dài
lớp phoi cắt ra Lf ngắn hơn quãng đờng mà dao phải đi L dọc
theo bề mặt gia công, chiều dày của phoi af lớn hơn chiều dày
cắt a còn chiều rộng phoi bf thay đổi không đáng kể. Đó là
hiện tợng co rút phoi
Ngời ta đánh giá hiện tợng trên qua hệ số co rút phoi K

L
K = Lf

af
= a

3.3.2.Phơng pháp đo hệ số co rút phoi K
a, Đo trực tiếp:
Chọn một phoi dài, tơng đối thẳng đo chiều dài Lf hoặc chiều
dày a f của nó rồi tính K theo công thức trên




b, Phơng pháp cân:

Cũng chọn phoi dài, thẳng đo chiều dài và cân khối lợng
của nó. Coi thể tích của phoi trớc và sau khi cắt không đổi, ta
có:
Ff . Lf = L . s .t



từ đó :




K =




Trong đó :
Ff






L Ff
=
L f S .t

1000.Q

=
.L f

Vậy :
K =

1000.Q
.L f .S .t


Hinh 3.9. HiÖn tîng co rót phoi










3.3.3.Các nhân tố ảnh hởng đến hệ số co rút phoi:
a, Vật liệu gia công:
ảnh hởng lớn đến hệ số co rút phoi. Khi giữ nguyên các
điều kiện cắt khác thì vật liệu càng dẻo hệ số co rút phoi K
càng lớn. Vì vật liệu càng dẻo thì sự liên kết giữa các phân tử
càng yếu khiến cho sự sắp xếp của mạng tinh thể kim loại càng
dễ bị phá huỷ kim loại càng dễ bị biến dạng.
Chú ý: Hệ số co rút phoi K có thể lớn tới 8
b, ảnh hởng của góc cắt :

Xét hình vẽ ta thấy:

Hinh 3.10.
Anh hởng của góc cắt
đến hệ số co rút phoi K





Trong tam giác OCF có : CF = OF . sin = a
Trong tam giác OBF có : BF = OF . cos ( - ) = a f




Vậy:

K =

af
L
cos( )
=
=
Lf
a
sin
Thay = ( 900 - )

ta có:



K =
Rõ ràng góc cắt tăng thì hệ số co rút phoi tăng. Thật vậy khi góc
cắt càng lớn thì dao càng khó ăn sâu vào vật liệu gia công,
khiến vật liệu gia công chịu biến dạng càng lớn.
c, ảnh hởng của tốc độ cắt:
Đoạn AB, tăng tốc độ cắt thì xuất hiện lẹo dao làm giảm
góc cắt do đó hệ số co rút phoi giảm.








sin ( +
sin

)

Đoạn BC, tiếp tục tăng tốc độ cắt ứng với đoạn chiều
cao lẹo dao giảm làm góc cắt tăng lên, biến dạng tăng làm cho
hệ số co rút phoi tăng lên.
Đoạn CD, tiếp tục tăng tốc độ cắt nữa vợt qua khu vực
hình thành lẹo dao, hệ số co rút phoi giảm.
Tốc độ đạt khoảng 200- 300 mét/ ph hệ số co rút phoi hầu
nh không thay đổi.

Hinh 3.11.
Anh hởng của tốc độ
cắt đến hệ số co rút phoi K




d, ảnh hởng của chiều dày cắt: Ta thấy chiều dày cắt tăng thì
hệ số co rút phoi giảm. Thật vậy vì sự biến dạng của lớp phoi
dọc theo chiều dày không đồng đều, lớp phoi càng gần mặt tr
ớc của dao chịu biến dạng càng lớn nên khi giữ nguyên các
điều kiện khác phoi mỏng có hệ số co rút phoi lớn hơn phoi
dày
Hinh 3.12.
Anh hởng của chiều dày cắt
a đến hệ số co rút phoi K

e, Anh hởng của dung dịch trơn nguội:

Dung dịch trơn nguội làm giảm nhiệt cắt, giảm biến dạng,
giảm ma sát nên làm giảm hệ số co rút phoi K.
















3.4. Hiện tợng nhiệt cắt
Trong quá trình cắt do chịu áp lực và ma sát rất lớn nên phát
sinh một lợng nhiệt đáng kể. Nhiệt cắt ảnh hởng tới:Sự mài mòn,
tuổi bền của dao, chất lợng bề mặt gia công.. Vì vậy phải nắm vững
các quy luật về nhiệt.
3.4.1. Nguồn gốc phát sinh nhiệt :
Trong quá trình cắt nhiệt phát sinh do các nguyên nhân sau:
- Công của lực ma sát trong giữa các phần tử của kim loại trong
quá trình biến dạng A1.
- Công của lực ma sát giữa phoi và mặt trớc của dao A2
- Công của lực ma sát giữa chi tiết gia công và mặt sau dao A3
- Công dứt phoi tạo nên các bề mặt mới A4

Nếu cho rằng toàn bộ công Cơ học đều biến thành nhiệt thì:
Q

=

A = P
R

v

PZ .v ( kcal /ph )
=
R
127
Z.


Trong đó : A = A1 + A2 + A3 + A4
R là đơng lợng giữa nhiệt và công ( R = 127 kGm / kcal ).

3.4.2. Sự phân bố nhiệt:
Trong quá trình cắt nhiệt tập trung ở 3 khu vực sau đây:
- Khu vực trợt của các yếu tố phoi. Nhiệt lợng sinh ra
trong khu vực này chủ yếu truyền vào phoi.
- Khu vực tiếp xúc của phoi với mặt trớc. Nhiệt lợng
sinh ra trong khu vực này cũng chủ yếu truyền vào phoi.
- Khu vực tiếp xúc của chi tiết gia công với mặt sau của
dao. Nh vậy:
- Nhiệt sinh ra truyền vào phoi: khoảng ( 70- 80 )%
- Truyền vào dao khoảng 15%,
- Truyền vào chi tiết gia công khoảng 5%
- Truyền vào môi trờng khoảng 1%.
Ta thấy lợng nhiệt truyền vào dao không lớn nhng khối l
ợng của dao tơng đối nhỏ nên nhiệt độ trong dao cũng rất lớn.


H×nh 3.13. Sù ph©n bè nhiÖt c¾t