Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu đến hiện tượng mòn của dụng cụ khi khoan thép 45

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
________________________

NGUYỄN MINH ĐẠT

Nghiên cứu ảnh hưởng của
phương pháp bôi trơn làm
nguội tối thiểu đến hiện tượng
mòn của dụng cụ khi khoan
thép 45
LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN TRỌNG BÌNH

HÀ NỘI - 2010


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................... 10
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 13
CHƯƠNG 1 ......................................................................................................................
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT GỌT ....................................... 16
1.1. BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH TẠO PHOI .............................................................. 16
1.1.1. Quá trình hình thành phoi .......................................................................................16
1.1.2. Các dạng phoi ............................................................................................................17
1.1.3. Hiện tượng co rút phoi ..............................................................................................17
1.1.4. Hiện tượng lẹo dao ....................................................................................................18

1.1.5. Hiện tượng cứng nguội .............................................................................................19

1.2. HIỆN TƯỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT ...................................... 19
1.2.1. Nhiệt phát sinh khi cắt kim loại ...............................................................................19
1.2.2. Nguồn gốc nhiệt cắt ...................................................................................................20
1.2.2.1. Vùng tạo phoi ......................................................................................................21
1.2.2.2. Vùng tiếp xúc của phoi và mặt trước dao.........................................................21
1.2.2.3. Vùng tiếp xúc của mặt sau dao và mặt cắt của chi tiết gia công: ................. 22
1.2.2.4. Nhiệt sinh ra do công đứt phoi...........................................................................22
1.2.3. Sự phân bố nhiệt cắt .................................................................................................22
1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt ............................................................24
1.2.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công........................................24
1.2.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dao ...............................26

1.3. MÀI MÒN DỤNG CỤ CẮT ................................................................................ 26
1.3.1. Hiện tượng mài mòn dụng cụ cắt ............................................................................26
1.3.2. Các dạng mòn phần cắt dụng cụ cắt .......................................................................27
1.3.2.1. Mài mòn theo mặt sau ........................................................................................27

1


1.3.2.2. Mài mòn Crater (lưỡi liềm) ...............................................................................28
1.3.2.3. Mài mòn đồng thời mặt trước và mặt sau ......................................................28
1.3.2.4. Mài tù lưỡi cắt ...................................................................................................28
1.3.3. Quy luật mài mòn dụng cụ .......................................................................................29
1.3.4. Cơ chế mài mòn dao. .................................................................................................29
1.3.4.1. Mài mòn do cào xước hay hạt mài ....................................................................29
1.3.4.2. Mài mòn do khuếch tán .....................................................................................30
1.3.4.3. Mài mòn do oxy hoá ...........................................................................................30

1.3.4.4. Mài mòn do chảy dính .......................................................................................30
1.3.4.5. Mài mòn do mỏi ..................................................................................................31

1.4. KHẢ NĂNG CÔNG NGHỆ CỦA KHOAN ...................................................... 31
1.4.1. Tổng quan ..................................................................................................................31
1.4.2. Các thông số của mũi khoan ....................................................................................32
1.4.3. Phân loại mũi khoan .................................................................................................38
1.4.4. Các thông số của chế độ cắt khi khoan ...................................................................40
1.4.5. Giới thiệu một vài loại mũi khoan ...........................................................................43
1.4.5.1. Mũi khoan dẹt .....................................................................................................43
1.4.5.1.1. Lưỡi cắt của mũi khoan dẹt ......................................................................43
1.4.5.1.2. Tay kẹp của mũi khoan dẹt ........................................................................44
1.4.5.1.3. Tốc độ cắt và lượng chạy dao của mũi khoan dẹt ....................................45
1.4.5.2. Mũi khoan gắn mảnh cắt quay ..........................................................................45
1.4.5.3. Mũi khoan lấy lõi ...............................................................................................47
1.4.5.3.1. Lựa chọn vật liệu làm mũi khoan lấy lõi ...................................................49
1.4.5.3.2. Độ cứng vững và dung sai kích thước của lỗ ............................................49
1.4.5.3.3. Kiểm soát phôi .............................................................................................50
1.4.5.3.4. Ưu điểm của các dụng cụ khoan lấy lõi .....................................................51
1.4.6. Đặc điểm của quá trình cắt khi khoan ....................................................................51
1.4.6.1. Quá trình tạo phoi khi khoan 51
1.4.6.2. Lực cắt khi khoan ..............................................................................................52

2


1.4.6.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi khoan ..................................................53
1.4.6.3.1. Ảnh hưởng của góc xoắn ω ........................................................................53
1.4.6.3.2. Ảnh hưởng của góc nghiêng chính ϕ .........................................................54
1.4.6.3.3. Ảnh hưởng của lưỡi cắt ngang và phương pháp mài giảm chiều dài lưỡi

ngang ............................................................................................................................54
1.4.6.3.4. Ảnh hưởng của góc nghiêng Ψ của lưỡi cắt ngang .................................54
1.4.6.3.5. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội ......................................................54
1.4.6.3.6. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và dường kính mũi khoan: ...................55
1.4.6.3.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến P0 và Mx ...................................................55
1.4.6.3.8. Ảnh hưởng của vật liệu gia công.................................................................55
1.4.6.4. Sự mài mòn và tuổi bền dao khoan ..................................................................55
1.4.6.4.1. Mài mũi khoan ............................................................................................57
1.4.6.4.2. Tuổi bền dao khoan .....................................................................................60
1.4.6.4.3. Mối quan hệ giữa tuổi bền và vận tốc cắt .................................................60
1.4.6.4.4. Mối quan hệ giữa lượng mòn của dao khoan với thời gian cắt ..............62
1.4.6.4.5. Mối quan hệ giữa độ mòn và độ nhám với áp suất phun làm mát .........63
1.4.7. Giới hạn vấn đề nghiên cứu .....................................................................................64

1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ..................................................................................... 65
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................
CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN - LÀM NGUỘI .............................................................. 66
2.1. TỔNG QUAN VÀ VAI TRÒ CỦA BÔI TRƠN - LÀM NGUỘI ..................... 66
2.1.1. TỔNG QUAN ............................................................................................................66
2.1.2. VAI TRÒ CỦA BÔI TRƠN - LÀM NGUỘI ..........................................................67
2.1.2.1. Tác dụng bôi trơn ...............................................................................................67
2.1.2.2. Tác dụng làm nguội ............................................................................................68
2.1.2.3. Tác dụng làm sạch ..............................................................................................68

2.2. CÁC THÀNH PHẦN THƯỜNG CÓ MẶT TRONG DUNG DỊCH TRƠN .......
NGUỘI ......................................................................................................................... 68

3

2.2.1. Dầu mỏ .......................................................................................................................68
2.2.2. Mỡ động vật ...............................................................................................................69
2.2.3. Dầu thực vật ..............................................................................................................69
2.2.4. Các nguyên tố hóa học ..............................................................................................69
2.2.5. Emunxi (Nhũ tương) .................................................................................................70
2.2.6. Chất khí ......................................................................................................................71
2.2.7. Chất rắn .....................................................................................................................71

2.3. CÁC LOẠI DUNG DỊCH TRƠN NGUỘI ......................................................... 71
2.3.1. Dung dịch thực ..........................................................................................................71
2.3.2. Dung dịch có các ion tương tác ................................................................................72
2.3.3. Dạng Emunxi .............................................................................................................73
2.3.4. Dung dịch tạo thành từ các phần tử hóa học ..........................................................74
2.3.5. Dung dịch được tạo thành từ các thành phần dầu .................................................74

2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI ........................................ 75
2.4.1. Gia công khô ..............................................................................................................75
2.4.2. Bôi trơn – làm nguội theo kiểu tưới tràn ................................................................76
2.4.3. Bôi trơn – làm nguội tối thiểu ..................................................................................77
2.4.4. Giảm nhiệt ở vùng cắt bằng dòng khí lạnh .............................................................77
2.4.5. Công nghệ dùng Nito lỏng ........................................................................................78

2.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHUN DUNG DỊCH TRƠN NGUỘI ......................... 78
2.5.1. Phun vào mặt trước của dao ....................................................................................80
2.5.2. Phun theo phương pháp tuyến với chi tiết ..............................................................81
2.5.3. Phun vào mặt sau của dao ........................................................................................82
2.5.4. Phun dung dịch phối hợp cả mặt sau và mặt trước ...............................................81

2.6. ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI KHI KHOAN 82
2.7. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ÁP LỰC HỢP LÝ CỦA BÔI TRƠN – LÀM .........

NGUỘI TỐI THIỂU KHI KHOAN .......................................................................... 82
2.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..................................................................................... 84

4


CHƯƠNG 3.......................................................................................................................
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ÁP LỰC HỢP LÝ CỦA BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI..
TỐI THIỂU KHI KHOAN BẰNG THỰC NGHIỆM ............................................. 85
3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIÊM ............................................................ 85
3.1.1. Mô hình thí nghiệm ...................................................................................................85
3.1.1.1. Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm ......................................................................85
3.1.1.2. Sơ đồ thí nghiệm .................................................................................................85
3.1.1.3. Mô hình thí nghiệm ............................................................................................85
3.1.2. Hệ thống thí nghiệm ..................................................................................................86

3.2. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ....................................... 89
3.2.1. Bôi trơn tưới tràn và bôi trơn tối thiểu P=5 Kg/cm2 ..............................................89
3.2.1.1. Cách thức tiến hành thí nghiệm ........................................................................89
3.2.1.2. Ghi số liệu thí nghiệm và xử lý số liệu ..............................................................89
3.2.1.3 So sánh bôi trơn làm nguội tưới tràn và bôi trơn làm nguội tối thiểu ................
P=5Kg/cm2 .......................................................................................................................91
3.2.2. Ảnh hưởng của áp lực đến độ mòn dao ∆, tuổi bền T và chất lượng bề mặt Rz .93
3.2.2.1 Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm và ma trận thực nghiệm ..................................93
3.2.2.2. Cách thức tiến hành thí nghiệm ........................................................................94
3.2.2.3. Ghi số liệu thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm ..........................................94
3.2.3. Nhận xét ...................................................................................................................100

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................... 101
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102Error! Bookmark not defined.

4.1. Kết luận ............................................................................................................... 102
4.2. Kiến nghị ............................................................................................................. 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 104
PHỤ LỤC A ............................................................................................................... 106
PHỤ LỤC B ............................................................................................................... 107

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa và đơn vị

Trang

h’

Chiều dày của phoi (mm)

16

K

Hệ số co rút phoi

18

A

Công sinh ra trong quá trình cắt (N.m)

18

Pz

Lực tiếp tuyến (N)

20

V

Tốc độ cắt (m/ph)

20

Qcg

Nhiệt cắt tổng cộng (Kcal/ph)

20

Qbd

Nhiệt cắt do biến dạng (Kcal/ph)

21

Qdh

Nhiệt cắt do công ma sát (Kcal/ph)

21

Qdm

Nhiệt cắt do biến dạng đàn hồi và ma sát (Kcal/ph)

21

Qdp

Nhiệt cắt do công đứt phoi (Kcal/ph)

22

Qf

Nhiệt phân tán vào phoi (Kcal/ph)

22

Qd

Nhiệt phân tán vào dụng cụ cắt (Kcal/ph)

22

Qct

Nhiệt phân tán vào chi tiết gia công (Kcal/ph)

22

Qmt

Nhiệt phân tán vào môi trường (Kcal/ph)

22

∆θ

Độ tăng nhiệt độ (0K)

24

∆L

Độ thay đổi chiều dài (mm)

25

∆D

Độ thay đổi đường kính (mm)

25

hs

Chiều cao mòn theo mặt sau (mm)

27

B

Chiều rộng mòn crater (mm)

28

ht

Chiều sâu mòn crater (mm)

28

f

Khoảng cách từ lưỡi dao đến vết lõm (mm)

28

ρ

Bán kính lưỡi dao bị mòn (mm)

29

Hợp kim cứng

30

HKC

6


γ

Góc trước dao (độ)

35

α

Góc sau dao (độ)

35

ω

Góc nghiêng rãnh xoắn mũi khoan (độ)

35

φ

Góc đỉnh mũi khoan (độ)

38

φ1

Góc nghiêng phụ (độ)

38

Ψ

Góc nghiêng lưỡi cắt ngang (độ)

38

D

Đường kính mũi khoan (mm)

42

n

Số vòng quay mũi khoan trong 1 phút (vg/ph)

42

t

Chiều sâu cắt (mm)

42

S

Lượng chạy dao (mm/vg)

42

Sz

Lượng chạy dao răng (mm/răng)

42

Sp

Lượng chạy dao phút (mm/phút)

42

b

Chiều rộng cắt (mm)

42

a

Chiều dày cắt (mm)

42

f

Diện tích cắt (mm2)

42

Độ cứng Brinell

49

P0

Lực chiều trục (N)

52

Py

Lực hướng kính (N)

53

Pz

Lực tiếp tuyến (N)

53

Mx

Moomen cắt (N.mm)

53

Hệ số phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, hình dạng

53

BHN

Cm, C0

hình học của mũi khoan
xm, ym, xp, yp Số mũ
Km, KP0
Chs

53

Hệ số điều chỉnh

53

Hệ số chỉ điều kiện phương pháp gia công ảnh hưởng đến

56

tuổi bền

7


T

Tuổi bền (phút)

56

A1, A3, A5

Các hệ số phụ thuộc vào thực nghiệm

61

A2, A4, A6

Các số mũ phụ thuộc vào thực nghiệm

61

∆

Lượng mòn (mm)

62

τ

Thời gian cắt (phút)

62

C1

Hệ số xác định bằng thực nghiệm

62

C2

Số mũ xác định bằng thực nghiệm

62

P

Áp suất phun làm mát (Kg/cm2)

63

Ra

Độ nhám (µm)

63

Các hệ số xác định bằng thực nghiệm

63

Tốc độ mòn

65

a, b, c1,d1
α

8


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1.

Thành phần hóa học của thép gió

Bảng 3.2.

Thành phần hóa học và cơ tính của thép C 45

Bảng 3.3.

Phương trình hồi quy thực nghiệm dạng ∆ = f(τ)

Bảng 3.4.

Phương trình hồi quy thực nghiệm dạng mũ ∆ = f(τ)

Bảng 3.5.

Giá trị hệ số A3 và số mũ B3

Bảng 3.6.

Bảng tổng hợp hệ số mòn và áp suất

Bảng 3.7.

Bảng tổng hợp tuổi bền và áp suất

Bảng 3.8.

Bảng tổng hợp độ nhám và áp suất

Bảng 3.9.

Phương trình hồi quy thực nghiệm dạng α =f(P), T=f(P) và Rz=f(P)

Bảng 3.10.

Phương trình hồi quy thực nghiệm dạng mũ α =f(P), T=f(P) và Rz=f(P)

9


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1

Quá trình tạo phoi

Hình 1.2

Các loại phoi

Hình 1.3

Mô tả sự co rút phoi

Hình 1.4

Các lực ảnh hưởng đến lẹo dao

Hình 1.5

Nguồn gốc và sự phân bố nhiệt cắt

Hình 1.6

Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt

Hình 1.7

Các dạng mài mòn dụng cụ cắt

Hình 1.8

Mài mòn mặt sau

Hình 1.9

Mài mòn Crater

Hình 1.10

Quan hệ giữa lượng mòn và thời gian

Hình 1.11

Khoan

Hình 1.12

Cấu tạo mũi khoan xoắn

Hình 1.13

Thông số hình học mũi khoan

Hình 1.14

Tạo góc sau của mũi khoan trong tiết diện chiều trục

Hình 1.15

Các loại mũi khoan

Hình 1.16

Các thông số khi khoan lỗ đặc và lỗ thông

Hình 1.17

Mũi khoan dẹt

Hình 1.18

Cấu tạo lưỡi cắt mũi khoan dẹt

Hình 1.19

Mũi khoan gắn mảnh cacbit

Hình 1.20

Gia công lỗ bậc

Hình 1.21

Mũi khoan lấy lõi

Hình 1.22

Khoan bằng mũi khoan lấy lõi

Hình 1.23

Biến thiên tốc độ cắt dọc lưỡi cắt

Hình 1.24

Mũi khoan lấy lõi quay quanh tâm trục quay

Hình 1.25

Mũi khoan lấy lõi khoan nhanh hơn các mũi khoan thông thường

10


Hình 1.26

Các thành phần lực cắt khi khoan

Hình 1.27

Sự mòn mũi khoan

Hình 1.28

Hiện tượng xảy ra khi mài mũi khoan không hợp lý

Hình 1.29

Góc sau và góc nghiêng của lưỡi cắt ngang

Hình 1.30

Mũi khoan có 2 góc nghiêng φ và φ0 chiều dày cắt a thay đổi

Hình 1.31

Mũi khoan mài mất lưỡi cắt ngang và mài kép

Hình 1.32

Mũi khoan mài có góc sau phụ α1

Hình 1.33

Sự phụ thuộc của tuổi bền T vào tốc độ cắt V

Hình 1.34

Phạm vi tuổi bền mũi khoan

Hình 1.35

Mô hình quá trình khoan

Hình 2.1

Mô hình mặt phẳng trượt lý tưởng

Hình 2.2

Mô hình tiếp xúc giữa phôi, dao và dung dịch trơn nguội

Hình 2.3

Các phần tử hòa tan trong nước

Hình 2.4

Các phần tử tích tụ khối và phần tử hòa tan trong nước

Hình 2.5

Các phần tử hòa tan dưới dạng thể sữa

Hình 2.6

Các phần tử hòa tan trong hợp chất hóa học

Hình 2.7

Các phần tử hòa tan trong hợp chất dầu

Hình 2.8

Phun dung dịch vào mặt trước dao

Hình 2.9

Phun theo phương pháp tuyến với chi tiết

Hình 2.10

Phun dung dịch vào mặt sau dao

Hình 2.11

Phun kết hợp vào cả mặt trước và mặt sau dao

Hình 3.1

Sơ đồ thí nghiệm

Hình 3.2

Mô hình thí nghiệm

Hình 3.3

Máy phay đứng CNC

Hình 3.4

Mũi khoan thép gió

Hình 3.5

Hình dạng phôi gia công

Hình 3.6

So sánh bôi trơn tưới tràn và bôi trơn tối thiểu P=5 Kg/cm2

11

Hình 3.7

Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt RZ với thời gian cắt khi thay đổi
phương pháp bôi trơn – làm nguội

Hình 3.8

Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm và ma trận thực nghiệm

Hình 3.9

Biểu đồ so sánh giá trị độ nhám bề mặt Rz

Hình 3.10

Biểu đồ so sánh tốc độ biến thiên của độ nhám bề mặt Rz

Hình 3.11

Đồ thị xác định tuổi bền T1, T2, T3

Hình 3.12

Quan hệ giữa tốc độ mòn và áp lực phun

Hình 3.13

Quan hệ giữa tuổi bền và áp lực phun

Hình 3.14.

Sản phẩm sau khi thực nghiệm

Hình 3.15

Đo độ nhám trên máy SJ-201 hãng Mitutoyo

12


MỞ ĐẦU
Hiện nay, quá trình chế tạo sản phẩm cơ khí không chỉ đòi hỏi việc giảm chi phí
gia công, nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn phải đảm bảo yêu cầu an toàn và
không làm ô nhiễm môi trường. Công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu có vai trò rất
quan trọng trong gia công cắt gọt, làm giảm lực, giảm nhiệt, giảm ma sát, giảm hệ số
co rút phoi, tăng chất lượng bề mặt gia công, từ đó làm tăng chất lượng và giảm giá
thành gia công. Mặt khác, nó cũng góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp bôi trơn làm nguội
tối thiểu đến hiện tượng mòn của dụng cụ khi khoan thép 45” mong muốn nghiên
cứu làm rõ các vấn đề cơ sở khoa học trong bôi trơn – làm nguội và ảnh hưởng của
công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu đến tuổi bền dụng cụ khi khoan. Đây là một đề
tài nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của nguyên công khoan đồng
thời góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường mà.
Tính cấp thiết của đề tài: Trong chế tạo cơ khí, gia công cắt gọt nói chung và
nguyên công khoan nói riêng là phương pháp được áp dụng rộng rãi và chiếm tỷ lệ cao
so với các phương pháp gia công khác. Trong quá trình gia công cắt gọt cho đến nay
chúng ta vẫn sử dụng phương pháp bôi trơn – làm nguội theo kiểu tưới tràn. Để nâng
cao hiệu quả kinh tế – kỹ thuật của quá trình gia công, người ta nghiên cứu sử dụng
phương pháp bôi trơn – làm nguội tối thiểu. Nhưng cho đến nay phương pháp này ở
Việt Nam vẫn chưa được ứng dụng vào thực tế sản xuất cũng như các công trình

nghiên cứu về nó vẫn còn hạn chế. Vì vậy, đề tài này thực hiện ý định áp dụng công
nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu vào sản xuất tại Việt Nam, đặc biệt là áp dụng cho
nguyên công khoan, nhằm giảm chi phí sản xuất và góp phần bảo vệ môi trường.
Phương pháp nghiên cứu: Trong quá trình nghiên cứu tác giả kết hợp phương
pháp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm.
Ý nghĩa của đề tài:

13


− Ý nghĩa khoa học: nghiên cứu ứng dụng thành tựu công nghệ của thế giới vào
điều kiện cụ thể của Việt Nam.
− Ý nghĩa thực tiễn: đảm bảo chất lượng chi tiết gia công ổn định, giảm chi phí
dọn thải và làm sạch thiết bị, tăng tuổi bền dụng cụ, góp phần giảm chi phí gia
công, giảm ô nhiễm môi trường.
Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng mà tác giả lựa chọn để nghiên cứu ở đây là
nguyên công khoan.
Giả thiết khoa học: Nếu xây dựng được các mô hình tuổi bền T với áp suất P
dưới dạng T=f(P), tốc độ mòn α với áp suất P dưới dạng α=f(P), độ nhám bề mặt RZ
với áp suất P dưới dạng RZ=f(P) và độ mòn ∆ với thời gian τ dưới dạng ∆=f(τ) thì có
thể xác định được áp lực hợp lý P (áp suất khí phun làm mát) khi khoan, nhằm đạt được
tuổi bền T max và lượng mòn ∆ min trong quá trình khoan, nâng cao năng suất, giảm
chi phi gia công, chi phí dọn thải và góp phần bảo vệ môi trường.
Nội dung chính của luận văn:
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT GỌT
¾ Tổng quan về quá trình tạo phoi: Nghiên cứu về bản chất quá trình tạo phoi, các
dạng phoi, sự co rút phoi, hiện tượng lẹo dao và hiện tượng cứng nguội.
¾ Tổng quan về nhiệt trong quá trình cắt: Nghiên cứu nguồn gốc nhiệt sinh ra
trong quá trình gia công, sự phân bố nhiệt và ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá

trình gia công.
¾ Tổng quan về mài mòn dụng cụ cắt: Nghiên cứu các dạng mòn dụng cụ cắt, quy
luật và cơ chế mài mòn dụng cụ cắt
¾ Tổng quan về đặc điểm công nghệ quá trình khoan: Nghiên cứu các thông số cơ
bản của dao khoan, đặc tính quá trình cắt, lực cắt, giới thiệu một số loại mũi
khoan, xem xét mối quan hệ giữa tuổi bền và lượng mòn của dao khoan, và
phương pháp xác định tuổi bền dao khoan.

14


CHƯƠNG 2
CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN - LÀM NGUỘI
¾ Nghiên cứu vai trò của dung dịch trơn nguôi.
¾ Các loại dung dịch trơn nguội và thành phần của nó.
¾ Công nghệ bôi trơn làm nguội bao gồm: Công nghệ bôi trơn - làm nguội tối
thiểu và công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu.
¾ Các phương pháp phun dung dịch trơn nguội.
¾ Nghiên cứu xác định áp lực hợp lý khi khoan.
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ÁP LỰC HỢP LÝ CỦA BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI
TỐI THIỂU KHI KHOAN BẰNG THỰC NGHIỆM
¾ Xây dựng mô hình thí nghiệm.
¾ Xây dựng quy hoạch thực nghiệm với một thông số.
¾ Điều kiện thí nghiệm.
¾ Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu.
¾ Xác định áp lực hợp lý của bôi trơn – làm nguội tối thiểu khi khoan bằng thực
nghiệm.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
¾ Kết luận.

¾ Kiến nghị.
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn và các đồng nghiệp cùng
cộng tác giúp đỡ hoàn thành luận văn.
Nội dung luận văn không thể tránh khỏi sai sót. Tác giả rất mong các thầy, cô và
các đồng nghiệp xem xét đóng góp ý kiến.

15


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT GỌT
1.1. BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH TẠO PHOI
1.1.1. Quá trình hình thành phoi

Hình 1.1. Quá trình tạo phoi
Khi cắt do tác dụng của lực cắt gây ra sự thay đổi cơ lý tại vùng cắt
− Đầu tiên dưới tác dụng của lực cắt kim loại bị nén và biến dạng đàn hồi.
− Dao tiến sâu vào gây nên ứng suất bên trong kim loại lớn hơn giới hàn đàn hồi
của kim loại do đó kim loại bắt đầu bị biến dạng dẻo. Quá trình biến dạng dẻo
tăng dần đến khi bị liên kết trong của các phần tử kim loại chặn lại. Lúc đó xảy
ra sự trượt của chúng trên mặt phẳng trượt
− Khi tiếp tục tiến dao, áp lực gia tăng làm ứng suất tăng vượt quá giới hạn bền,
kim loại bị biến dạng lớn và bị phá hủy và một lớp phoi chiều dày h’ được hình
thành từ lớp phoi có chiều dày h.
Quá trình tạo phoi được phân ra làm 4 vùng sau:
1- Vùng biến dạng thứ nhất.
2- Vùng ma sát thứ nhất (mặt trước).
3- Vùng ma sát thứ hai (mặt sau).

16

4- Vùng tách.
1.1.2. Các dạng phoi
Tùy theo vật liệu gia công, chế độ cắt, dao…mà có các dạng phoi sau:

Hình 1.2. Các loại phoi
• Phoi vụn: phoi cắt ra là những hạt rời rạc có hình dáng kích thước khác nhau.
Phoi vụn thường gặp khi gia công vật liệu giòn hay cắt ở vận tốc thấp. Sự hình
thành phoi không liên tục (phoi vụn) làm lực cắt thay đổi gây ra va đập, rung
động…khiến chất lượng bề mặt xấu, nhiệt và lực cắt chỉ tập trung ở mũi dao.
• Phoi xếp: Mặt phoi tiếp xúc với mặt trước của dao thì nhẵn bóng, mặt đối diện
thì có những nếp gợn (nứt nẻ), phoi bị đứt ra thành từng mảnh hoặc đoạn ngắn.
Dạng phoi này thường xuất hiện khi cắt các vật liệu dẻo ở tốc độ cắt thấp, dao có
góc trước lớn. Khi cắt ra phoi xếp bề mặt chi tiết nhẵn bóng hơn.
• Phoi dây: Thường gặp khi cắt các vật liệu dẻo với vận tốc cắt cao, chiều dày cắt
nhở. Phoi có dạng dây dài – xoắn. Do có phoi dây mà lực cắt thay đổi ít, bề mặt
gia công tốt hơn.
Trong quá trình tạo phoi gây ra các hiện tượng sau:
1.1.3. Hiện tượng co rút phoi

17


Maët tröôùc
bp

Dao

a

Lp

b

ap

Phoâi

L

Hình 1.3. Mô tả sự co rút phoi
Sự co rút phoi là đặc tính tiêu biểu nói lên mức độ biến dạng về lượng của kim
loại cắt gọt. Từ nghiên cứu về sự co rút phoi trên phương diện thể tích có thể nhận biết
được việc cắt diễn ra khó hay dễ, năng lượng tiêu hao nhiều hay ít.
Gọi a, b, L là kích thước cần cắt và ap, bp, Lp là kích thước phoi thì:
− L>Lp; a>ap; b>bp
− Hệ số co rút phoi: K=Lp/L = ap/a >1

(1.1)

1.1.4. Hiện tượng lẹo dao
Hiện tượng: Khi cắt kim loại ở một khoảng tốc độ nào đó, trên mặt trước của
dao xuất hiện một lớp kim loại có độ cứng khá lớn, có tổ chức và tính chất khác với vật
liệu chi tiết gia công và vật liệu làm dao. Lớp kim loại này xuất hiện, biến mất, lúc to,
lúc nhỏ khác nhau và bám chắc vào lưỡi cắt dụng cụ được gọi là lẹo dao.
Nguyên nhân: Tại vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao đồng thời
chịu tác dụng của các lực:
T- Lực ma sát giữa phoi và mặt trước của dao.
S- Lực liên kết giữa các lớp kim loại thuộc phoi.

W- Lực thoát phoi.

18


Ở nhiệt độ thấp, lực liên kết S (nội lực ma sát) còn lớn, khi nhiệt độ cắt tăng lên
lực S giảm dần nên T>S+W và kim loại thuộc lớp tiếp xúc tách khỏi phoi nằm lại trên
mặt trước của dao tạo thành khối lẹo dao.
Khi nhiệt độ cao hơn nữa, lớp kim loại gần đến trạng thái nóng chảy làm cả nội
ma sát S và ngoại ma sát T đều giảm nhưng T giảm nhanh hơn S nên lẹo dao không
được hình thành.
Lẹo dao có tác dụng bảo vệ lưỡi cắt khỏi bị mòn nhanh, làm tăng góc trước,
giảm lực cắt. Tuy nhiên lẹo dao làm lưỡi cắt cùn tù và sự hình thành biến mất của nó
nhiều lần gây rung động quá trình cắt, giảm độ bóng, độ chính xác gia công. Vì vậy,
cần tránh hiện tượng lẹo dao.

n
T

W

γ

H

γ

S

Hình 1.4. Các lực ảnh hưởng đến lẹo dao

1.1.5. Hiện tượng cứng nguội
Khi bắt đầu tạo phoi thì biến dạng dẻo xuất hiện trước biến dạng đàn hồi. Do có
biến dạng đàn hồi nên mặt gia công được nâng lên một đoạn. Vì có biến dạng dẻo, bề
mặt gia công bị biến cứng. Lớp biến cứng này cứng hơn kim loại của chi tiết.
Lớp biến cứng có hai đặc tính: mức độ biến cứng và chiều sâu biến cứng. Hiện
tượng cứng nguội gây ảnh hưởng xấu, làm giảm độ bóng, độ chính xác gia công và cơ
tính tổng hợp của lớp bề mặt chi tiết, gây cản trở đến lần gia công tiếp theo.
1.2. HIỆN TƯỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT
1.2.1. Nhiệt phát sinh khi cắt kim loại

19


Quá trình tạo phoi và thoát phoi khỏi vùng cắt trong quá trình cắt làm xuất hiện
một lượng nhiệt nhất định. Lương nhiệt này sinh ra do sự chuyển đổi từ công cắt gọt.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng gần như tất cả công cần thiết trong quá trình cắt đều
chuyển biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi và công kín (công để biến dạng
mạng tinh thể và các bề mặt lớn). Khoảng gần 98% công này chuyển hoá thành nhiệt
tổng cộng phát sinh sau một phút gia công và có thể tính theo công thức sau:
Qcg =

Trong đó:

Pz .v
427

[Kcal/ph]

(1.2)

Pz - thành phần lực cắt tiếp tuyến.
v - tốc độ cắt.

Nhiệt lượng cắt được định nghĩa như là lượng nhiệt được sinh ra trong quá trình
cắt sau một phút. Đó chính là công suất nhiệt khi cắt. Còn lượng nhiệt có trên một đơn
vị thể tích hay khối lượng của vật thể được cắt gọi là nhiệt lượng đơn vị (Cal/cm3;
Cal/g).
Nhiệt lượng sinh ra khi cắt làm nóng chi tiết gia công, phoi và dụng cụ cắt.
Nhiệt độ tại các điểm khác nhau có sự tác động của lượng nhiệt khác nhau và gọi là
nhiệt độ cắt tức thời của các điểm khối lượng khảo sát trong vùng cắt. Trung bình cộng
đại số của nhiệt độ các điểm khối lượng của phoi gọi là nhiệt độ trung bình của phoi.
Tương tự ta có nhiệt độ trung bình của dụng cụ và chi tiết gia công. Nhiệt độ trung bình
trên các bề mặt tiếp xúc của vật liệu gia công và vật liệu cắt gọi là nhiệt độ cắt, quy ước
gọi tắt là nhiệt cắt.
1.2.2. Nguồn gốc nhiệt cắt
Như trên đã phân tích rõ ràng để tách được phoi và thắng được ma sát khi cắt ta
cần có lực cần thiết tác động vào chi tiết gia công tạo ra công cắt gọt và gần như hầu
hết công này chuyển biến thành nhiệt. Công này chính là để thực hiện quá trình biến
dạng và thắng ma sát khi cắt. Do vậy ta có thể nói rằng; nguồn gốc của nhiệt cắt là biến
dạng và ma sát khi cắt.

20


Qcg = Qbd + Qms
(1.3)
Khi gia công cắt gọt ta có thể phân định vùng cắt thành các vùng biến dạng và
ma sát. Do vậy nhiệt sinh ra từ 4 nguồn:
1.2.2.1. Vùng tạo phoi: Nhiệt sinh ra do công ma sát giữa các phần tử của vật liệu gia
công trong quá trình biến dạng (Qdh).

Nếu xem vùng tạo phoi như là một mặt trượt duy nhất thì qua nghiên cứu lượng
nhiệt này có thể xác định qua biểu thức sau:
Qdh =

Pc .vc1
427

(1.4)

Trong đó: Pc - lực theo phương trượt
vc1 - vận tốc trượt.

phoi

dao

v

chi tiết

Hình 1.5. Nguồn gốc và sự phân bố nhiệt cắt
1.2.2.2. Vùng tiếp xúc của phoi và mặt trước dao: Nhiệt sinh ra do công biến dạng
đàn hồi của phoi và ma sát ngoài giữa phoi với mặt trước của dao (Qdm).

21


Lượng nhiệt xuất hiện trên mặt trước dao là do 2 nguồn: do tác dụng của lực ma
sát trong ở lớp vật liệu phoi gần sát mặt trước kháng lại biến dạng đàn hồi và lực ma sát
ngoài trên mặt tiếp xúc.

1.2.2.3. Vùng tiếp xúc của mặt sau dao với bề mặt đã gia công của chi tiết: Nhiệt
sinh ra do sự chuyển đổi công ma sát (Qms).
1.2.2.4. Nhiệt sinh ra do công đứt phoi: Quá trình đứt phoi cũng sinh ra nhiệt (Qdp).
1.2.3. Sự phân bố nhiệt cắt
Các lượng nhiệt sinh ra được truyền và phân tán vào phoi Qf, dụng cụ cắt Qd, chi
tiết gia công Qct và môi trường Qmt.
Từ điều kiện cân bằng nhiệt ta có thể viết:
Qdh + Qdm + Qms + Qdp = Qf + Qd + Qct + Qmt

(1.5)

Phương trình (1.5) được gọi là phương trình thu phát nhiệt trong quá trình cắt.
y
q1

q5

q9
Phoi

q6

q2

q4
Chi tiết
gia công

x

q10

q3

x

q7
Dụng cụ

q8

y1

Hình 1.6. Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt

Sơ đồ trên mô tả tổng quát hướng các nguồn nhiệt trong phoi cắt, dụng cụ, chi
tiết gia công và ngoài môi trường.

22


Nhiệt truyền vào phoi cắt.
Lượng nhiệt phoi nhận được được truyền từ 2 nguồn nhiệt: nguồn Q5 của vùng
biến dạng trượt (mặt tạo phoi) và nguồn Q6 trên mặt trước dao. Lượng nhiệt này chiếm
khoảng 75% tổng lượng nhiệt sinh ra khi cắt Qcg.
Nhiệt truyền vào dụng cụ.
Một phần lượng nhiệt Q3 sinh ra trên bề mặt tiếp xúc của phoi với mặt trước dao
cùng với một phần lượng nhiệt Q4 khác sinh ra từ ma sát của bề mặt sau dao với bề mặt
cắt truyền vào dụng cụ khi cắt. Lượng nhiệt này chiếm khoảng 20% Qcg.
Nhiệt truyền vào chi tiết gia công.

Có hai dòng nhiệt hướng vào chi tiết gia công đó là: q1 và q2. Lượng nhiệt chi
tiết nhận được Q1 từ dòng nhiệt sinh ra trong mặt trượt q1 và lượng nhiệt Q2 từ dòng
nhiệt sinh ra từ mặt sau dao q2. Lượng nhiệt này chiếm khoảng 4% Qcg.
Nhiệt truyền vào môi trường.
Một phần nhiệt khác của quá trình cắt truyền từ bề mặt tự do của phoi, dụng cụ
và chi tiết gia công vào môi trường chung quanh Q7, Q8, Q9 . Lượng nhiệt này phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như lượng dung dịch trơn nguội tưới vào vùng cắt, tốc độ cắt,
chiều dày lớp cắt...
Sự phân tích lý thuyết tóm tắt về sự thu phát nhiệt của quá trình cắt giúp đánh
giá ảnh hưởng của các thông số cơ bản của cắt gọt đến sự xuất hiện và sự dẫn nhiệt khi
cắt. Tuy nhiên việc xác định sự thu nhận nhiệt và truyền phát nhiệt bằng tính toán là rất
khó và không chính xác.
Tóm lại mỗi nguồn nhiệt sinh ra có một phạm vi tác dụng nhất định. Phần lớn
nhiệt lượng sinh ra do biến dạng trên mặt cắt (biến dạng trượt) nằm lại trong phoi
nhưng phoi lại thoát ra ngoài, một phần nhỏ truyền sang dụng cụ cắt nhưng dụng cụ lại
luôn nằm trong vùng cắt.
Các kết quả thực nghiệm nghiên cứu về nhiệt cắt cho ta một số nhận xét sau:

23


• Khi tăng tốc độ cắt, lượng nhiệt truyền vào dao giảm. Đó là do sự chậm trễ
của tốc độ truyền nhiệt so với tốc độ chuyển động của phoi. Tức là vì thời
gian để thoát phoi rất ngắn nên nhiệt chưa kịp truyền sang dao.
• Khi gia công thép chịu nhiệt, lượng nhiệt truyền vào dao tăng lên nhiều hơn so
với khi gia công thép kết cấu. Điều đó là vì thép chịu nóng có sức bền và độ
dẻo cao hơn nên công cắt lớn và do đó lượng nhiệt sinh ra lớn, đồng thời các
loại thép chịu nhiệt đều có tính dẫn nhiệt kém.
Tuy rằng lượng nhiệt truyền vào dao không nhiều nhưng do tính truyền nhiệt
của vật liệu làm dao thấp và do dao liên tục tiếp xúc với vùng sinh nhiệt nên nhiệt độ

trên dao thường cao hơn so với nhiệt độ trung bình của phoi và chi tiết.
1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt
Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt thường được nghiên cứu theo 2 quan
điểm:
• Theo độ chính xác gia công.
• Theo khả năng cắt của dao.
1.2.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công.
Độ chính xác gia công khi cắt gọt được quyết định bởi vị trí tương quan giữa
dao và chi tiết gia công trong quá trình cắt. Do vậy sự biến dạng về nhiệt của dao và chi
tiết gia công do ảnh hưởng của nhiệt khi cắt được quan tâm khảo sát.
Về quá trình trao đổi nhiệt, ta biết rằng nếu cung cấp một lượng nhiệt Q cho một
vật có thể tích V (cm3), tỷ nhiệt c (J/kg.0K), khối lượng riêng γ (kg/cm3), thì độ tăng của
nhiệt độ của vật thể được xác định:
∆θ =

Q
c.γ.V

( 0K )

(1.6)

Độ thay đổi chiều dài L theo phương nào đó của vật thể là:
∆L = α.∆θ.L

(mm)

24

(1.7)