Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu

Tr ư ờng ĐH K T C ông N ghiệp Thái N guy ê n
1
Luận v ăn thạc s ĩ
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

3

DANH MỤC CÁC BẢNG

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

5

PHẦN MỞ ĐẦU

8

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN

11

1. Tổng quan về công nghệ bôi trơn truyền thống

11

2. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu

11

Chương 2
NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY

14

2.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI

14

2.1.1 Khái niệm và phân loại phoi

14

2.1.2 Sự co rút phoi

15

2.2 LỰC CẮT GỌT

16

2.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt

16

2.2.2. Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt

18

2.3 HIỆN TƢỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT

18

2.3.1 Nhiệt cắt

18

2.3.2 Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt

21

2.4. SỰ MÀI MÒN DAO

21

2.4.1 Biểu hiện ngoài của sự mài mòn dao

21

2.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao

23

2.4.3 Quy luật mòn của dụng cụ cắt

25

2.5 GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY

26

2.5.1 Khái niệm chung

26

2.5.2 Phân loại dao phay

27

2.5.3 Vật liệu chế tạo dao phay

28

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2.5.4 Các thông số hình học của dao phay

28

2.5.5 Các yếu tố của lớp cắt

30

2.5.6 Lực cắt khi phay

32

2.5.7 Độ mòn và tuổi bền của dao phay

33

2.6 BÔI TRƠN LÀM NGUỘI KHI PHAY MẶT PHẲNG

34

2.6.1 Các phƣơng pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt

34

2.6.2 Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt

35

đầu
1. Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu

35

2. Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng gang cÇu bằng dao

36

phay mặt đầu
Chương 3

37

LỰA CHỌN TRANG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM

37

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

37

3.1.2 Hệ thống thí nghiệm 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm

38

3.2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

38

3.2.1.Mục đích thí nghiệm

40

3.2.2.Trình tự tiến hành thí nghiệm

40

Chương 4

40

TỐI ƢU QUÁ TRÌNH GIA CÔNG KHI PHAY MẶT PHẲNG LÀ
GANG CẦU

42

4.1. Mô hình hoá quá trình cắt khi phay

42

4.2. Mô hình hoá toán học tối ƣu hoá quá trình cắt khi phay

43

4.3. Giới hạn vấn đề tối ƣu

46

Chương 5

46

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

46

5.1. Mòn và cơ chế mòn dao

46

5.1.1. Mòn và cơ chế mòn mặt trƣớc dao

46


5.1.2. Mòn và cơ chế mòn mặt sau dao

49

5.1.3. Mòn và tuổi bền dao

52

5. 2. Độ nhám bề mặt chi tiết Ra

54

5. 3 . Kết luận

56

PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

57

I. KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN

57

II. HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

58

TÀI LIỆU THAM KHẢO

59

PHỤ LỤC

61

Phụ lục 1. CÁC ẢNH CHỤP MÒN DAO

61

Phụ lục 2. SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VỀ ĐỘ NHÁM VÀ ĐỘ MÒN

67

DAO

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
t: chiều sâu cắt
S: lượng chạy dao
n: số vòng 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 quá trình cắt
δ0: độ mòn 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 vòng
[u]: lượng mòn mặt sau cho phép


Ra: độ nhấp nhô bề mặt trung bình
MQL (Minimum Quantity Lubrication): Bôi trơn tối thiểu

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 2 lượt cắt

67

Bảng 2. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 4 lượt cắt

67

Bảng 3. Số liệu độ nhám Ra, Rz sau 6 lượt cắt

67

Bảng 4. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 2 lượt cắt

68

Bảng 5. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 4 lượt cắt

68

Bảng 6. Số liệu độ mòn mặt sau dao sau sau 6 lượt cắt

68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 2.1:

Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo

14

Hình 2.2:

Các loại phoi

15

Hình 2.3:

Sơ đồ co rút phoi

16

Hình 2.4:

Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi

16

Hình 2.5:

Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do

17

Hình 2.6:

Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt

20

Hình 2.7:

Các dạng mòn của dụng cụ cắt

22

Hình 2.8:

Mòn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt

22

Hình 2.9:

Quy luật mòn của dụng cụ cắt

23

Hình 2.10:

Mòn do khuếch tán

24


Hình 2.11

Mòn do chảy dẻo

24

Hình 2.12:

Quan hệ giữa độ mòn và thời gian làm việc của dao

25

Hình 2.13:

Các loại dao phay

27

Hình 2.14:

Các thông số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu

29

Hình 2.15:

Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay

30

Hình 2.16:

Sơ đồ tính góc tiếp xúc

31

Hình 2.17:

Sơ đồ xác định chiều dày cắt và diện tích lớp cắt của răng

32

dao phay khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt
Hình 2.18:

Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay

32

Hình 2.19:

Các dạng mài mòn của răng dao phay

33

Hình 3.1:

Sơ đồ nguyên lý phun MQL dạng sương mù

37

Hình 3.2:

Ảnh hệ thống thí nghiệm

38

Hình 3.3:

Ảnh Máy đo nhám

39

Hình 3.4:

Ảnh Máy chụp ảnh SEM

40

Hình 4.1:

Mô hình tối ưu hoá quá trình cắt khi phay

42

Hình 5.1:

Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 2 lượt cắt

47

Hình 5.2:

Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 4 lượt cắt

48

Hình 5.3:

Ảnh so sánh mòn mặt trước của dao với 6 lượt cắt

49

Hình 5.4:

Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 2 lượt cắt

50

Hình 5.5:

Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 4 lượt cắt

51

Hình 5.6

Ảnh so sánh mòn mặt sau của dao với 6 lượt cắt

52

Hình 5.7

Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 2

53

lượt cắt
Hình 5.8:

Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 4

53

lượt cắt
Hình 5.9:

Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t với 6

54

lượt cắt
Hình 5.10:

Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t

55

Hình 5.11:

Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và lượt cắt t (2)

55


Hình 5.12:

Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t

55

Hình 5.13:

Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và lượt cắt t (4)

55

Hình 5.14:

Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và thời gian cắt t

56

Hình 5.15:

Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết Ra và lượt cắt t (6)

56


PHẦN MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời kỳ CNH và HĐH đất nước, ngành Cơ khí có vai trò rất lớn trong
việc chế tạo các sản phẩm công nghiệp. Để nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo
yêu cầu về tính công nghệ và kinh tế, đặc biệt là khi gia công các sản phẩm có độ
cứng cao, cấu trúc vật liệu phức tạp người ta đã ứng dụng rất nhiều phương pháp
công nghệ từ truyền thống đến không truyền thống.
Đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình gia công cắt gọt chi tiết chính là
bôi trơn - làm nguội vì bôi trơn - làm nguội có tác dụng làm giảm lực cắt, giảm
nhiệt cắt, giảm ma sát, mòn dao, giảm hệ số co rút phoi, đặc biệt làm tăng chất
lượng bề mặt gia công, nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế. Theo công nghệ
truyền thống, khi gia công vật liệu Gang, thông thường người ta không sử dụng bôi
trơn (gia công khô) vì : Đặc điểm biến dạng phần lớn Gang kết cấu dạng ferit hoặc
peclit và từ 3- 5% graphit ở dạng bông hoặc tấm, hay graphit phiến hoặc dạng cầu.
Chính vì có graphit lên tính dẻo của gang giảm, làm phoi dễ gẫy và hoạt động như
một loại chất bôi trơn tự nhiên, lực cắt tương đối nhỏ và phoi vụn. Do vậy gang
được xếp vào nhóm vật liệu dễ gia công cắt gọt, tuy nhiên khi gia công cắt gọt Gang
thường gặp một số vấn đề như:
- Mòn dao do tạp chất cứng lẫn trong gang gây ra

- Có hiện tượng phoi chảy dẻo và dính bám lên mặt sau (Gang cầu)
- Lực cắt rất lớn, nhiệt độ cao, chất lượng gia công giảm (Gang cầu)
Để khắc phục các nhược điểm kể trên tác giả đề xuất ứng dụng công nghệ
bôi trơn tối thiểu khi gia công vật liệu Gang với chế độ cắt tối ưu được chọn trước
vì những ưu điểm nổi bật của công nghệ này như:
- Giảm lực cắt và mòn dao
- Nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt.
- Giảm chi phí dọn phế thải và làm sạch môi trường.
- Không gian làm việc sạch, góp phần giảm ô nhiễm môi trường.


Trên thế giới công nghệ bôi trơn tối thiểu đã được áp dụng khá phổ biến tại
những nước có nền công nghiệp phát triển như: Anh, Đức, Mỹ, Hàn quốc…
Ở Việt Nam hiện nay những nghiên cứu và ứng dụng về bôi trơn tối thiểu
còn nhiều hạn chế. Do phương pháp này có nhiều ưu điểm, đặc biệt là thân thiện với
môi trường nên rất cần có những nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào thực
tế sản xuất ở nước ta, vì vậy tác giả đề xuất chọn đề tài:
“Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay
mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu”
2. Mục đích, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu.
2.1.Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu, đánh giá khả năng bôi trơn- làm nguội của công nghệ bôi trơn
tối thiểu qua đó chỉ ra tính ưu việt của phương pháp này.
- Nghiên cứu tìm được ra những ảnh hưởng của chế độ công nghệ bôi trơnlàm nguội tối thiểu bằng dầu thực vật đến mòn, tuổi bền của dao khi gia công gang
Cầu( bằng phương pháp phay bề mặt).
- Nghiên cứu đưa ra được chỉ dẫn cụ thể như: áp suất dòng khí, lưu lượng
tưới phù hợp khi gia công mặt phẳng gang Cầu bằng dao phay mặt đầu có gắn mảnh
hợp kim cứng.
- Nghiên cứu để lựa chọn được chế độ cắt tối ưu trong quá trình gia công mặt
phẳng( Gang cầu)có bôi trơn(bôi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật).

2.2. Đối tượng nghiên cứu
- Dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC (BK8)
- Gang cầu có độ cứng từ 170-220HB (Bàn Máp 2 rãnh)
- Chế độ bôi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật( áp suất dòng khí ).
- Chế độ cắt (lựa chọn bộ thông số S,V,t tối ưu) trong quá trình gia công gang cầu
bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh BK8.
- Các chỉ tiêu công nghệ trong quá trình gia công: Cơ chế mòn và tuổi bền của dao.
2.3.Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm (chủ yếu là thực nghiệm).


3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
3.1.Ý nghĩa khoa học
- Kết quả nghiên cứu sẽ đánh giá khả năng cũng như cho thấy được các ảnh hưởng
của việc lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối
với Gang cầu có bôi trơn tối thiểu. Qua đó đánh giá được mòn, tuổi bền của dao của
Gang cầu nói riêng và các loại Gang nói chung.
3.2. í nghĩa thực tiễn
- Chọn ra được chế độ cắt tối ưu, loại dầu bôi trơn và những chỉ dẫn cụ thể về chế
độ bôi trơn tối thiểu khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu đối với Gang cầu
nói riêng và các loại Gang nói chung.
- Các kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong thực tiễn và dần thay thế công
nghệ truyền thống .
- Kết quả nghiên cứu đạt được sẽ ứng dụng vào Phay bàn Máp 2 rãnh bằng Gang
cầu tại nhà máy Điêzen Sông công – Thái nguyên.


Chng 1
TNG QUAN V CễNG NGH BễI TRN

1. Tng quan v cụng ngh bụi trn truyn thng
- Bụi trn lm ngui kiu ti trn: l phng phỏp c dựng ph bin nht
hin nay, dung dch trn ngui c dn t do vo vựng ct thụng qua hin tng
mao dn v cỏc thit b cn thit nh bm nc, s chờnh lch cao, bỡnh thụng
nhau... u im ca phng phỏp ti trn l ti c nhit ra khi vựng ct, hn
ch c nh hng xu ca nhit i vi dng c ct. m bo c nhit
trong mụi trng thp v n nh. Giỳp vic vn chuyn phoi ra khi vựng ct d
dng. Gim ma sỏt gia phoi v mt trc, gia phụi v mt sau dng c ct. Nhc
im ca phng phỏp l gõy ụ nhim mụi trng lm vic, t ai v ngun nc.
Tng chi phớ sn xut, vn chuyn, bo dng v tỏi ch cht bụi trn c bit l chi
phớ lm sch trc khi a vo mụi trng. Tiờu tn nhiu dung dch trn ngui.
Dung dch khú xõm nhp vo vựng ct.
- Theo công ngh truyn thng, khi gia công vật liệu Gang,
thông thng ngi ta không s dng bôi trn (gia công khô) vì :
Đặc điểm biến dạng phần lớn Gang kết cấu dạng ferit hoặc peclit
và từ 3- 5% graphit ở dạng bông hoặc tấm, hay graphit phiến
hoặc dạng cầu. Chính vì có graphit lên tính dẻo của gang giảm,
làm phoi dễ gẫy và hoạt động nh một loại chất bôi trơn tự nhiên,
lực cắt tơng đối nhỏ và phoi vụn. Do vậy gang đợc xếp vào
nhóm vật liệu dễ gia công cắt gọt, tuy nhiên khi gia công cắt gọt
Gang thờng gặp một số vấn đề nh:
- Mòn dao do tạp chất cứng lẫn trong gang gây ra
- Có hiện tợng phoi chảy dẻo và dính bám lên mặt sau
(Gang cầu)
- Lực cắt rất lớn, nhiệt độ cao, chất lợng gia công giảm
(Gang cầu)
2. Tng quan v cụng ngh bụi trn ti thiu

Bụi trn lm ngui ti thiu (MQL): l phng phỏp s dng dũng khớ nộn

có áp suất cao để phun dung dịch trơn nguội vào vùng cắt dưới dạng sương mù để
bôi trơn, làm nguội và đẩy phoi ra khỏi vùng gia công.
Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) có nh÷ng •u ®iÓm næi
bËt nh•:


- Giảm lực cắt và mßn dao
- N©ng cao tuổi bền của dụng cụ c¾t.
- Giảm chi phÝ dọn phế thải và là m sạch m«i trường.
- Kh«ng gian là m việc sạch, gãp phần giảm « nhiễm m«i
trường.
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 công tốc độ cao... [3].
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 Ảnh
hưởng của MQL đến mòn dao, độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước khi tiện AISI4340 [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 trong 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 công cắt gọt thì
nghiên cứu ứng dụng MQL trong phay mặt phẳng gang cầu bằng dao phay mặt đầu
cácbít chưa được nghiên cứu. Trong khi đó nhu cầu phay gang (đặc biệt là gang
cầu) được đặt ra để tránh hoặc giảm bớt được nguyên công mài. Chính vì vậy tác
giả đã đề xuất chọn đề tài:

Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ƣu khi phay mặt phẳng bằng
dao phay mặt đầu đối với gang cầu có bôi trơn tối thiểu


Chương 2
NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY
2.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI
2.1.1 Khái niệm và phân loại phoi
Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 2.1a),
sau đó bị biến dạng dẻo, quá 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 2.1b). Hiện tượng tương tự
cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1 ÷ 5 (hình 2.1c).
a)

b)
C

P

1
2

a

a

P

B

c)
2

C

3

a

4

1

P

5

B

Hình 2.1. 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 β 1 gọi là góc trượt, còn 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 2.2 là các loại phoi được hình thành trong quá trình gia công các loại
vật liệu khác nhau.


Phoi dây (hình 2.2a) được hình thành khi gia công vật liệu dẻo với chiều sâu
cắt nhỏ, tốc độ cắt và góc trước γ lớn [7].
Phoi xếp lớp (hình 2.2b) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với
chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước γ nhỏ [7].
Phoi vụn (hình 2.2c) 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 công các vật liệu giòn (gang) với chiều sâu cắt và góc trước γ lớn thì
phoi vụn (hình 2.2d) có hình dạng không giống nhau được hình thành.
b)

a

P

a

a)

C

P
B

d)
C

P

a

a

c)

C

B

P
B

Hình 2.2. Các loại phoi
2.1.2 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 2.3). Nhưng trong trường hợp này có sự thay đổi về hình dáng,
còn thể tích vẫn được giữ nguyên, cho nên chiều dài phoi L sẽ ngắn hơn quãng
đường mà dao đi qua L0 (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
a
= 1 >1
L a

Hệ số co rút phoi là chỉ tiêu gián tiếp đánh giá cường độ biến dạng dẻo khi
cắt kim loại


a

a1

L0
Hình 2.3. Sơ đồ co rút phoi

l0

Hình 2.4. Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi
Khi xét một phần tử phoi (hình 2.4), hệ số co rút phoi sẽ bằng:
sin(900 − β + γ cos(β −γ )
1 )
1
K= 0 =

=
l
sin β1
sin β1
l

Trong thực tế, K = 1,5 ÷ 4.
Sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm sự co rút của phoi [7].
2.2 LỰC CẮT GỌT
2.2.1. 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 2.5a là sơ đồ lực tác động lên phôi khi cắt tự do.


R1

b) N'
a)

v

F0
R1

R0

N'

F0'

c)
d)

L0

R0

R1

y
Py

R

R
Pz

z

Hình 2.5. Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do
Mặt trước của dao chịu tác dụng của lực R0, lực R0 là tổng hợp lực pháp
tuyến N và lực ma sát của phoi lên mặt trước F0, 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 F0’ là R1. Vì góc sau α nhỏ và có độ mòn ở
mặt sau của dao, cho nên ta có thể tính lực như trên hình 2.5b, 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 ngoài phải có một lực tác dụng lên dao
R = R0 + R1 (hình 2.5c).

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:

Ở đây:

N=
σ

0

tSK

m

2

σ0: giới hạn chảy của vật liệu gia công khi bị nén (kG/mm );


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 công).
Ngoài hai thành phần lực Pz và Py còn 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 công bình
thường có thể được tính như sau [7]:
Px = (0,2 ÷ 0,3)Pz
Py = (0,3 ÷ 0,4)Pz
2.2.2. Ảnh hƣởng 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 công 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 công thép 10 với tốc độ cắt
cao và dùng dung dịch trơn nguội emunxi, lực cắt Pz lớn hơn chút ít so với trường
hợp gia công không 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 công 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].
2.3 HIỆN TƢỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT
2.3.1 Nhiệt cắt
Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò 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 công A (kGm) sinh ra trong quá trình hớt phoi.
Công 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, công A được tính theo công 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: A1 = 55%,

A2 =

35%, A3 = 10%. Nếu lấy quãng đường mà dụng cụ đi qua trong một phút, ta có
công 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);
V F=

V
: tốc độ chuyển động của phoi ở mặt trước của dao (m/phút);
K

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.


Thc t cho thy, phn ln cụng ct gt A (hn 99,5%) sinh ra nhit ct. Vỡ
vy, lng nhit ta ra trong quỏ trỡnh ct l [7]:
Q=

P .V
A
= z
427 427

Nhit ct Q c tớnh bng kcal/phỳt.
Nhit trong quỏ trỡnh ct lan ta t im cú nhit cao nht n im cú
nhit thp nht. Nhit trong quỏ trỡnh ct ch yu tp trung phoi v mt phn
dng c. Nhit do ma sỏt mt trc v mt sau s tp trung mt trc III v mt
sau IV, phoi II v chi tit gia cụng I (hỡnh 2.6). Cú mt phn nh nhit ta ra vo
mụi trng xung quanh.
Vuứng trửụùt

ẹửụứng ủaỳng nhieọt

II

III
IV

I

Hỡnh 2.6. S hỡnh thnh v lan ta nhit
Khi bit lng nhit sinh ra trong quỏ trỡnh ct lan ta gia phoi, chi tit gia
cụng v dng c, cú th vit phng trỡnh nhit nh sau:
Q = Q1 + Q2 + Q3 = Qp + Qd + Qc + Qm
õy:
Q1, Q2, Q3: nhit ng vi cỏc cụng cụng thc 1;
Qp, Qd, Qc, Qm: nhit phoi, dng c, chi tit v mụi trng
xung quanh.
Kt qu nghiờn cu thc nghim cho thy khi gia cụng vi tc ct khụng
ln (30 ữ 40 m/phỳt) t l nhit nh sau: Qp 60 ữ 70%; Qd 3%; Qc 30 ữ
40%; Qm 1 ữ 2%. Khi tc ct tng, t l nhit vo phoi tng. Vớ d, khi tc
ct V =
400 ữ 500 m/phỳt, nhit vo phoi Qp 97 ữ 98%; Qd 1%. Thc nghim cng
ó


khẳng định rằng tính dẫn nhiệt của chi tiết gia công 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
0

0

khoảng 540 C, còn trên khoảng cách 0,2 mm của mặt trước nhiệt độ khoảng 450 C.
0

0

Khi tốc độ cắt là V = 200 m/phút nhiệt độ ở các nơi tương ứng là 1265 C và 400 C
[7].
Khi gia công 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 không 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. Ngoài 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].
2.3.2 Ảnh hƣởng 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].
2.4. SỰ MÀI MÒN DAO
2.4.1 Biểu hiện ngoài 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 hai loại
mòn này đều tồn tại khi gia công với mọi chế độ cắt được dùng trong sản xuất.
Khi mòn theo dạng thứ nhất (hình 2.7a) ở mặt sau của dao tạo thành tiết diện
mòn có bề rộng là δ. Dọc theo lưỡi cắt chính bề rộng của tiết diện mòn nhìn chung
rất nhỏ.
Về nguyên 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 2.8a). Trong một số
trường hợp ở điểm của lưỡi cắt chính tương ứng với bề mặt gia công tồn tại mòn
cục bộ có hình dạng như cái lưỡi (hình 2.8b).


δ

c)

δ

b)

δ

a)

Hình 2.7. Các dạng mòn của dụng cụ cắt

a)

b)

Hình 2.8. Mòn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt
Khi mòn theo dạng thứ hai thì ngoài mặt sau bị mòn, mặt trước cũng bị mòn
(hình 2.7b). Mòn 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 2.7b). Cạnh
ngoài của vết lõm nằm gần song song với lưỡi cắt chính, còn 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 ngoài vết lõm và lưỡi cắt chính có thể thay đổi. Khi gia công thép
với tốc độ cắt thấp và trung bình bằng dao thép gió, lưỡi cắt chính và cạnh ngoài
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 không tồn tại lẹo dao cho nên cạnh ngoài của vết lõm trùng với mặt
sau của dao, do đó mặt trước của dao chỉ tồn tại vết lõm (hình 2.7c).
Dạng mòn của dụng cụ cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công, chiều dày cắt a
và tốc độ cắt v. Khi gia công các vật liệu dẻo (thép) mòn dao xảy ra theo dạng thứ
nhất và dạng thứ hai. Khi gia công các vật liệu giòn (gang) mòn 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 mòn nhanh hơn mặt sau [7].
Góc trước γ và dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng không đáng kể đến dạng
mòn của dao [7].
2.4.2 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.
Các hiện tượng mòn xuất
hiện ở dụng cụ cắt như hình 2.9
- a: Mòn do khuếch tán.
- b: Mòn do cào xước.
- c: Mòn do kim loại bị ôxi hoá ở
t ≥ 800 C.
o

o

- d: Mòn do dính bám dẫn tới hiện
tượng tróc lớp bề mặt
Hình 2.9. Mô hình mòn dụng cụ cắt [1]
Dưới đây ta phân tích từng trường hợp cụ thể:
- Mòn 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 hàm lượng silic
(Si ≤ 3.5%) trong gang (vật liệu gia công) vượt quá giới hạn. 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 công. Mòn 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 không 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,
Vônfram, Titan, Côban có trong thành phần của hợp kim cứng dụng cụ.

Hình 2.10. Mài mòn do khuếch tán

Hình 2.11. Mài mòn do chảy dẻo

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 những phần
khác nhau của vật liệu gia công liên tục tiếp xúc với bề mặt dụng cụ, làm cho quá