NGHIÊN cứu mô PHỎNG ẢNH HƢỞNG THÔNG số HÌNH học của DAO TIỆN đến lực cắt và NHIỆT độ TRONG GIA CÔNG tốc độ CAO THÉP hợp KIM SKD11

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ẢNH HƢỞNG THÔNG SỐ HÌNH HỌC
CỦA DAO TIỆN ĐẾN LỰC CẮT VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG GIA CÔNG
TỐC ĐỘ CAO THÉP HỢP KIM SKD11
Nguyễn Đức Nam1, Hoàng Công Học1, Võ Huy Lâm2
1

Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
2

Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung

TÓM TẮT:
Cải tiến công nghệ, nâng cao năng suất và
tuổi thọ dụng cụ cắt là yêu cầu cấp thiết trong
công nghiệp chế tạo. Để đáp ứng vấn đề đó thì
gia công tốc độ cao ngày càng trở nên quan trọng
và được ứng dụng trong quá trình gia công cắt gọt
kim loại, đặc biệt là đối với các chi tiết thép hợp
kim có tính dẫn nhiệt thấp. Hiệu quả của quá trình
gia công tốc độ cao là lượng vật liệu được cắt gọt
không những tăng lên mà chất lượng của sản
phẩm được cải thiện đáng kể, thời gian gia công
được rút ngắn. Tuy nhiên, cơ học của quá trình
gia công rất phức tạp và khó kiểm tra bằng quá
trình thực nghiệm. Trong gia công tốc độ cao thì
sự phân bố nhiệt độ và lực cắt trong quá trình gia
công có sự khác biệt so với gia công truyền thống.

Sự phân bố nhiệt độ và lực cắt trong vùng gia
công là rất phức tạp và quyết định đến chất lượng
bề mặt gia công và tuổi thọ của dụng cụ cắt. Do
đó, nghiên cứu mô phỏng sự phân bố nhiệt độ và
lực cắt trong gia công tốc độ cao là quan trọng.
Các kết quả mô phỏng được thực hiện với các
thông số hình học khác nhau của dụng cụ cắt.
Các kết quả mô phỏng cho thấy được quá trình
hình thành phoi và sự phân bố nhiệt độ với các
góc trước khác nhau của dụng cụ cắt. Kết quả mô
phỏng cho thấy rằng, với lưỡi cắt insert có góc
trước γ = -6° thì nhiệt độ lớn nhất trong vùng gia
công có thể đạt đến 13000 C và với lưỡi cắt có
góc trước γ = 6° thì nhiệt độ lớn nhất là 11800 C.

Từ khóa: thép SKD11, gia công tốc độ cao, phân tích phần tử hữu hạn, nhiệt độ, lực cắt
1. GIỚI THIỆU
Ngày nay, vật liệu làm khuôn và độ chính xác
gia công được yêu cầu rất cao trong kỹ thuật
khuôn mẫu. Vật liệu dùng trong công nghiệp
khuôn mẫu thường phải có tính năng cao như
khả năng chịu nhiệt cao, chịu tải trọng lớn và độ
cứng cao. Bên cạnh đó, tiêu chuẩn quan trọng là
chất lượng của khuôn dựa trên độ chính xác kích
thước, hình dáng và chất lượng bề mặt. Nếu chất
lượng sau gia công kém và không đạt yêu cầu thì
cần phải qua công đoạn hoàn chỉnh bằng tay.
Công đoạn này đòi hỏi lượng thời gian gia công
tương đối lớn và năng suất thấp. Một trong những
mục tiêu chính của công nghiệp khuôn mẫu là

giảm thiểu hoặc loại bỏ công đoạn đánh bóng
bằng tay và do đó cải thiện được chất lượng,
giảm chi phí sản xuất và thời gian. Vì vậy, để
giảm thiểu chi phí và thời gian gia công thì gia
công tốc độ cao là nhu cầu cấp bách và cần thiết
hiện nay.

Trong những năm gần đây, các phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM) dựa trên công thức Euler
và công thức Lagrange đã được phát triển để
phân tích mô phỏng quá trình gia công. Do sự
phát triển của công nghệ máy tính, các nhà
nghiên cứu đã chú ý nhiều hơn đến các mô hình
số, đặc biệt là đối với FEM. Công thức Euler đã
được áp dụng trong nhiều mô hình FEM được sử
dụng để mô phỏng quá trình cắt gọt. Tuy nhiên,
việc sử dụng công thức Lagrange đã được phổ
biến rộng rãi hơn vì khả năng của nó để mô
phỏng sự hình thành phoi từ giai đoạn đầu tiên
đến trạng thái ổn định [1-4]. Mặc dù công nghệ
gia công tốc độ cao đã được sử dụng rộng rãi
trong nhiều ngành công nghiệp như ngành công
nghiệp hàng không, ô tô và công nghiệp gia công
chính xác nhưng ứng dụng của nó trên các vật
liệu khó cắt như hợp kim vẫn còn mới và các cơ
chế phức tạp liên quan. Trong việc cắt tốc độ cao
các thép hợp kim, chẳng hạn như sự hình thành
phoi, trường nhiệt độ và sự biến dạng cao trong

Trang 181

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

vùng gia công chưa được biết rõ [5]. Nhiều nhà
nghiên cứu đã tập trung vào mô phỏng quá trình
gia công để giải quyết nhiều vấn đề phức tạp phát
sinh trong quá trình gia công thép hợp kim
[612]. Tuy nhiên, nghiên cứu mô phỏng quá trình
hình thành phoi và sự phân bố trường nhiệt độ,
lực cắt trong gia công tốc độ cao thép hợp kim
SKD11 vẫn còn hạn chế.
Trong bài báo này, mô hình phân tích phần tử
hữu hạn được thiết lập để nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số hình học của dao đến sự hình

thành phoi và sự phân bố nhiệt độ, lực cắt trong
gia công tốc độ cao thép SKD11.
2. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
Trong quá trình gia công, mối quan hệ giữa
vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao và
thông số hình học của dụng cụ cắt ảnh hưởng
đến chất lượng bề mặt gia công và tuổi thọ của
dụng cụ cắt (Hình 1). Quá trình gia công này diễn
ra tương đối phức tạp và khó nhận biết chính xác
bằng thực nghiệm.
A-A

Chi tiết

A

Lượng chạy dao

α
tmin

Phoi

tn

tn

B

C

ɣ

v

f

Dao
c)

B

a)
A

A

B

B

tmin

tn

D

C

tm

ax

t min

F

tm

B-B

O

A

E

f
b)

d)

Hình 1. Sự hình thành phoi trong gia công tiện

2.1. Đặc tính của vật liệu SKD11 và lƣỡi cắt
carbit vonfram
Thép hợp kim SKD11 được ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp sản xuất khuôn mẫu vì độ
cứng khác nhau của nó. Đặc tính của vật liệu
thép SKD 11 như ở Bảng 1 và lưỡi cắt carbit
vonfram như Bảng 2.
Bảng 1. Đặc tính vật liệu SKD11
Thông số

Giá
trị

Modul đàn hồi (GPa)

208

Hệ số poisson

0.3

3

Tỷ trọng (kg/m )

8400

Hệ số giãn nở nhiệt (10-6/K)

11

Trang 182

Hệ số dẫn nhiệt (w/m.K)

20.5

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

1733

Bảng 2. Đặc tính vật liệu lưỡi cắt insert carbit
vonfram
Thông số

Giá trị

Modul đàn hồi (GPa)

534

Hệ số poisson

0.22

Tỷ trọng (kg/m3)

11,900

Hệ số dẫn nhiệt (w/m.K)

50


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

2.2. Mô hình phần tử hữu hạn và điều kiện
biên
Trong nghiên cứu này, phần trăm công suất
cắt được chuyển thành nhiệt được giả định là
bằng 90% và phần công việc ma sát được
chuyển thành nhiệt được lấy là 1.0. Gia công
được thực hiện ở nhiệt độ môi trường xung
quanh giả định nhiệt độ ban đầu của cả hai phôi
và công cụ là 20°C. Đối lưu nhiệt với môi trường
xung quanh của các bề mặt không tiếp xúc của
dụng cụ cắt và phôi được bỏ qua.

3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Trong quá trình mô phỏng, dụng cụ cắt được
chọn có thông số góc trước γ thay đổi từ 60 đến
-60, góc sau α của dao được chọn là 30 và góc
mũi dao r được chọn là 0,2 mm. Điều kiện biên
của quá trình mô phỏng được thiết lập như sau:
các cạnh biên của chi tiết gia công được thiết lập
ngàm cứng theo 3 phương tọa độ; trong khi đó
vận tốc cắt của lưỡi cắt theo phương x được
chọn theo thông số gia công và vận tốc cắt theo
phương y thì bằng 0. Mô hình mô phỏng và điều
kiện biên được thể hiện ở Hình 2.
Trong mô hình mô phỏng, chiều sâu cắt được
thiết lập là 3.5 mm và vận tốc cắt là 1500 m/phút.
Chi tiết gia công được chia lưới là 8000 phần tử
và lưỡi cắt insert được giả thiết là cứng tuyệt đối
với số phần tử chia lưới là 207 phần tử.

(a)

Hình 2. Mô hình mô phỏng

(b)

3.1. Hình dạng phoi ứng với các thông số hình
học của lƣỡi cắt insert
Sự hình thành phoi là một quá trình diễn ra rất
nhanh chóng với tốc độ cắt cao. Hình 3 cho thấy
quá trình của sự hình thành phoi trong mô phỏng
với lưỡi cắt insert có góc trước γ = 60. Sự khác
biệt về hình học của các giai đoạn gia công vật

liệu như giai đoạn ban đầu, giai đoạn giữa và giai
đoạn cắt ổn định. Ở giai đoạn đầu của quá trình
gia công, ứng suất chảy dẻo tương đối nhỏ và tập
trung ở đầu của dụng cụ cắt và bề mặt gia công,
như thể hiện trong Hình 3 (a). Khi quá trình cắt
tiếp tục cho đến khi dải phoi cắt được hình thành,
ứng suất chảy dẻo tăng lên và lan ra ở một khu
vực hẹp, như trong Hình 3 (b). Hình 3 (c) cho thấy
các ứng suất chảy dẻo cao ở các thời điểm khác
nhau của quá trình cắt xảy ra dọc theo giao diện
của dụng cụ và tại các vị trí răng cưa của phoi.
Tương tự kết quả mô phỏng quá trình hình thành
phoi ứng với các góc trước của lưỡi cắt insert là γ
= 00, γ = -60 như Hình 4 và Hình 5.

(c)

Hình 3. Quá trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert γ = -6

0

Trang 183


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

(a)

(b)

(c)
0

Hình 4. Quá trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert γ = 0

(a)

(b)

(c)
0

Hình 5. Quá trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert là γ = 6

Hình 6 và Hình 7 cho thấy hình dạng phoi thu
được ở các thông số lưỡi cắt khác nhau. Trong
kết quả mô phỏng, trường nhiệt độ phân bố khác
nhau trên phoi khi góc trước của lưỡi cắt insert
tăng từ γ = -6° đến γ = 6°. Hình 6 cho thấy sự
phân bố nhiệt độ trong quá trình gia công với lưỡi
cắt có góc trước dương (γ = 60). Khi cắt với góc

(a)

trước dương, do chiều dài tiếp xúc của phoi và
dụng cụ cắt nhỏ nên biến dạng cũng nhỏ làm cho
nhiệt độ phân bố thấp. Trong khi đối với lưỡi cắt
insert có góc trước âm γ = -60 (Hình 7) thì do
chiều dài tiếp xúc của phoi và dụng cụ cắt lớn

hơn dẫn đến biến dạng lớn hơn làm cho nhiệt độ
phân bố cao hơn.

(b)
0

Hình 6. Trường phân bố nhiệt độ ứng với góc trước lưỡi insert γ = 6

Trang 184


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

(a)

(b)
0

Hình 7. Trường phân bố nhiệt độ ứng với góc trước lưỡi insert γ = -6

3.2. Sự phân bố lực cắt
Sự phân bố lực cắt trong gia công tốc độ cao
thép SKD11 với lưỡi cắt insert được thực hiện với
vận tốc cắt là 1500 m/phút. Sự phân bố lực cắt tại
vùng gia công với góc trước của lưỡi cắt insert γ
= -6° và γ = 6° được thể hiện ở Hình 8 và Hình 8.
Ảnh hưởng của góc trước đối với sự phân bố lực
cắt được thể hiện ở Hình 9. Lực cắt ban đầu tăng
lên tuyến tính ở giai đoạn gia công ban đầu với

biên độ dao động tương đối ít. Khi phoi bắt đầu
hình thành dạng răng cưa thì biên độ dao động
của lực tăng lên cùng với sự hình thành phoi. Sau
đó quá trình này ổn định cho đến hết quá trình gia
công. Ngoài ra, sự dao động của lực cắt liên quan
đến sự hình thành phoi răng cưa rất quan trọng
trong đánh giá hiệu suất mòn của dụng cụ cắt.
3.3. Sự phân bố nhiệt độ
Sự phân bố nhiệt độ trong vùng tiếp xúc giữa
phoi và dụng cụ cắt được thực hiện trong quá
trình mô phỏng. Có thể thấy rõ rằng vùng nhiệt độ
cao xuất hiện trong giao vùng tiếp xúc giữa phoi

(a)

và dụng cụ cắt với nhiệt độ lớn nhất xuất hiện gần
vùng tiếp xúc này. Trong quá trình hình thành
phoi, hầu hết năng lượng của biến dạng được
chuyển thành nhiệt trong các phoi đầu tiên và lan
truyền trong các phoi, chi tiết và dụng cụ cắt. Khi
quá trình cắt tiếp diễn, ma sát giữa bề mặt tiếp
xúc của dụng cụ và phoi tăng lên, sẽ tạo ra nhiều
nhiệt hơn do áp lực tiếp xúc cao. Các thông số
gia công có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát sinh
nhiệt độ và sự phân bố nhiệt độ là tốc độ cắt,
lượng chạy dao, chiều sâu cắt và thông số hình
học dụng cụ cắt. Trong bài báo này, chủ yếu tập
trung vào ảnh hưởng của lưỡi cắt insert với các
góc trước khác nhau đến sự phân bố nhiệt độ và
nhiệt độ lớn nhất sinh ra trong quá trình gia công.

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, với lưỡi cắt
insert
có
góc
trước
γ = -6° thì nhiệt độ lớn nhất trên phoi có thể đạt
đến 13000C và với lưỡi cắt có góc trước γ = 6° thì
nhiệt độ lớn nhất là 11800C (như Hình 10).

(b)
0

Hình 8. Phân bố lực cắt ứng với góc trước lưỡi insert γ = -6

Trang 185


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

(a)

(b)
0

0

Hình 10. Phân bố nhiệt độ ứng với góc trước lưỡi insert : a) γ = -6 và b) γ = 6

5. KẾT LUẬN

Dựa trên các kết quả mô phỏng về ảnh hưởng
của thông số hình học của dụng cụ cắt đến sự
phân bố lực và nhiệt độ trong gia công thép hợp
kim SKD11, có thể rút ra một số kết luận như sau:
- Quá trình hình thành phoi ứng với các thông
số góc trước của dụng cụ cắt đã được mô phỏng.
- Lực cắt ban đầu tăng lên tuyến tính ở giai
đoạn gia công ban đầu với biên độ dao động
tương đối ít. Khi phoi bắt đầu hình thành dạng
răng cưa thì biên độ dao động của lực tăng lên

cùng với sự hình thành phoi. Sau đó quá trình
này ổn định cho đến hết quá trình gia công.
- Với lưỡi cắt insert có góc trước γ = -6° thì
nhiệt độ lớn nhất có thể đạt đến 13000C và với
lưỡi cắt có góc trước γ = 6° thì nhiệt độ lớn nhất
là 11800C.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi quỹ
nghiên cứu khoa học cấp cơ sở của Trường Đại học
Công nghiệp TP HCM (mã số đề tài: IUH.KCK
02/2016).

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Shih
A. Finite element simulation of
orthogonal metal cutting. J. Eng. Ind. 1995;
84–93.
[2]. Shih A, Yang H.T.Y. Experimental and finite
element predictions of residual stresses due
to orthogonal metal cutting. Int. J. Numer.

Methods Eng. 1993; 1487–1507.

damage in metal cutting. J. Eng. Manuf.
1996; 233–242.
[5]. Sandstrom DR, Hodowany J.N. Modeling the
physics of metal cutting in high speed
machining.
Machining
Science
and
Technology, 1998; 343–353.

[3]. Ueda K, Manabe K. Chip formation in micro
cutting of an amorphous metal. Ann. CIRP
1992; 129–132.

[6]. Filice L, Umbrello D, Beccari S, Micari F. On
the FE codes capability for tool temperature
calculation in machining processes. J. Mater.
Process. Technol. 2006; 286–292.

[4]. Maekawa K, Shirakashi T. Recent progress
of computer aided simulation flow and tool

[7]. Filice L, Micari F, Rizzuti S, Umbrello D. A
critical analysis on the friction modelling in

Trang 186

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

orthogonal machining. Int. J. Mach. Tools
Manuf. 2007; 709–714.
[8]. Che-Haron CH, Jawaid A. The effect of
machining on surface integrity of titanium
alloy Ti6Al4V. J. Mater. Process. Technol.
2005; 188–192.
[9]. Che-Haron CH. Tool life and surface integrity
in turning titanium alloy. J. Mater. Process.
Technol. 2001; 231–237.

[11]. Umbrello D. Finite element simulation of
conventional and high speed machining of
Ti6Al4V alloy. J Mater Process Technol.
2008; 79–87.
[12]. Calamaz M, Coupard D, Girot F. A new
material model for 2D numerical simulation
of serrated chip formation when machining
titanium alloy Ti–6Al–4V. Int. J. Mach. Tools.
Manuf. 2008; 275–288.

[10]. Shaw MC, Vyzas A. Chip formation in the
machining of hardened steel. Ann. CIRP
1993; 29–33.

SIMULATION STUDY ON EFFECT OF TOOL GEOMETRY TO CUTTING
FORCE AND TEMPERATURE FOR HIGH SPEED CUTTING OF SKD11
STEEL

ABSTRACT
To Improving technology, productivity and
cutting tool life is an important requirements in the
manufacturing industry. High speed machining is
becoming more important and used in the metal
cutting process, especially for low thermal
conductivity alloy. As a result, the amount of
material cutting not only increase but also the
quality of the product is improved significantly,
and cutting time is reduced. However, the
mechanics of the machining process are complex
and difficult to know by the experimental process.
In high-speed machining, the temperature
distribution and cutting force during machining are
different from traditional machining. This

distribution is very complex and will determine the
quality of surface and tool life.
Therefore,
studying the simulation of temperature distribution
and cutting force in high-speed machining are
important. The simulation results are carried out
with different geometric parameters of cutting
tools. The simulation results show that the
segmented chip formation and temperature
distribution results in cutting under different tool
rake angles. The highest temperature at the tool
rake face can reach up to 13000C and 11800C as
the tool rake angle are γ = -6° and γ = 6°
respectively.

Keywords: SKD11 steel, high speed machining, FEM, temperature field, cutting force

Trang 187