Khảo sát trường nhiệt độ phát triển trong dao pcbn khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng phương pháp thực nghiệm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------000-------------------

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ
KHOA HỌC KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

KHẢO SÁT TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ PHÁT TRIỂN
TRONG DAO PCBN KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

PGS.TS Phan Quang Thế

Nguyễn Khánh Toàn

Thái Nguyên, 2011


i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong
luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn của thầy giáo PGS.TS Phan Quang Thế. Ngoài
phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả

và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa
được công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2011
Người thực hiện

Nguyễn Khánh Toàn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS. Phan Quang Thế - Hiệu trưởng
Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp, thầy hướng dẫn khoa học của tôi về sự định
hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình của thầy trong việc tiếp cận và khai thác tài liệu
tham khảo cũng như những chỉ bảo của thầy trong quá trình tôi làm thực nghiệm và
viết luận văn.
Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và khoa Sau đại học của
Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn
thành bản luận văn của mình.
Tôi xin cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị Quốc Dung – Phó trưởng khoa Cơ khí
Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp về sự tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi
được mượn thiết bị dùng cho thí nghiệm tại xưởng sản xuất của cô.
Tôi cũng muốn cảm ơn các cán bộ công nhân viên Công ty YAMAHA Hà Nội
về sự tạo điều kiện hết sức thuận lợi và sự giúp đỡ tận tình cho tôi được tiến hành
thí nghiệm và mượn thiết bị đo tại xưởng sản xuất của Công ty.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đến các thầy cô giáo, các bạn đồng

nghiệp nơi tôi học tập cũng như nơi tôi đang công tác đã ủng hộ và động viên tôi
trong suốt quá trình làm luận văn này.
Tác giả

Nguyễn Khánh Toàn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

MỤC LỤC
Trang
PHẦN MỞ ĐẦU

1

1. Tính cấp thiết của đề tài

1

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3

2.1. Ý nghĩa khoa học

3

2.2. Ý nghĩa thực tiễn

4

3. Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài

4

4. Đối tượng nghiên cứu

4

5. Phương pháp nghiên cứu

4

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

5

Chƣơng 1. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT KIM LOẠI

5

1.1. Qúa trình cắt và tạo phoi

5

1.2. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt

9

1.3. Nhiệt cắt

10

1.3.1. Khái niệm chung

10

1.3.2. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại

13

1.3.2.1. Nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất

13

1.3.2.2. Nhiệt sinh trên mặt trước (QAC)

14

1.3.2.3. Nhiệt sinh trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD)

15

1.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt

16

1.3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công.

16

1.3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công.

17

1.3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dao

18

1.3.4. Các phương pháp xác định nhiệt cắt

18

1.3.4.1. Xávà vẽ Profiles nhiệt độ
Sử dụng phần mềm Ansys giải bài toán truyền nhiệt, ta có Profiles trường
nhiệt độ trong mảnh CBN, thể hiện sự hình thành và ổn định trạng thái trong quá
trình cắt như trên hình 3.10 .
Sau khi chạy mô phỏng ta nhận được kết quả tính phân bố nhiệt trên lưỡi cắt
ổn định sau 30 giây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




-61-

(a)

(b)
Hình 3.10- Profile trường nhiệt trên mảnh dao (a) và nhiệt độ tại một số nút (b).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




-62-

Hình 3.11- Vùng có nhiệt độ 508.70C.
(có chiều dài khoảng 0.32 mm, chiều sâu khoảng 0.04 mm)

Hình 3.12- Vùng có nhiệt độ 3060C.
(có chiều dài 0.5 mm)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




-633.3. Phân tích kết quả
Từ kết quả thực nghiệm xác định được xác định qua đo bằng Camera hồng
ngoại cho thấy nhiệt độ trên mặt trước của dao CBN đạt tới 508,70C sau 30 giây.
Qua mô phỏng, diện tích vùng ảnh hưởng nhiệt lớn và các đường đẳng nhiệt tách xa
nhau. Vùng ảnh hưởng nhiệt phát triển chủ yếu theo chiều sâu với vị trí trung tâm
của vùng ảnh hưởng nhiệt hầu như không thay đổi. Nguyên nhân có thể do tiếp xúc
giữa phoi và mặt trước trên vùng ma sát thông thường đã được xác lập và tương đối
ổn định sau 30 giây.

Trên sơ đồ trường nhiệt độ, ta thấy:
- Nguồn sinh nhiệt tiếp xúc với mặt trước của mảnh dao, chiều dài vùng sinh
nhiệt 305m, cách mặt trước khoảng 500m.
- Vùng có nhiệt độ 508.70C (có chiều dài khoảng 0.32mm, chiều sâu khoảng
0.04mm).
- Vùng có nhiệt độ 3060C (có chiều dài 0.5 mm).
Kết quả này phù hợp với nhận xét của một số nghiên cứu trước.
Qua nghiên cứu ta cũng thấy, vùng nhiệt độ cao trong mảnh CBN chủ yếu xuất
hiện trên mặt trước, điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của một số tác
giả trước đây. Vì vậy, nếu chúng ta sử dụng công nghệ bề mặt làm thay đổi cặp
tương tác ma sát giữa dụng cụ CBN và phôi sẽ góp phần hạn chế sự phát triển của
trường nhiệt độ.
* Kiểm chứng kết quả thí nghiệm và mô phỏng
Từ kết quả thu được qua thực tế thí nghiệm với kết quả mô phỏng bằng phần
mềm Ansys thấy rằng: các vùng nhiệt độ là tương đồng, sự sai lệch là rất ít. Nguyên
nhân có thể là do sai số của dụng cụ đo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




-64Chƣơng 4
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN
VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI
1. Kết luận chung của luận văn
Qua đề tài này, em đã sử dụng phương pháp thực nghiệm xác định được
trường nhiệt độ trong dụng cụ PCBN. Bằng việc sử dụng phần mềm Ansys, em đã
đưa ra sơ đồ phân bố trường nhiệt độ trong dụng cụ CBN khi tiện cứng, đồng thời
đã mô phỏng quá trình biến thiên của nhiệt độ trong dụng cụ CBN. Em nhận thấy,

kết quả thu được tuân theo quy luật về trường nhiệt độ trong dụng cụ mà một số tác
giả đã nghiên cứu trên các loại dụng cụ khác trước đó. Chúng ta có thể kết luận 2
điểm sau đây:
- Khi tiện thép hợp kim đã qua tôi, phoi dây được hình thành, trung tâm của
trường nhiệt độ nằm cách lưỡi cắt một khoảng nhất định.
- Trường nhiệt độ cao, chủ yếu hình thành trên mặt trước. Do đó, nếu sử dụng
các biện pháp công nghệ bề mặt thích hợp để làm thay đổi tương tác ma sát giữa
mặt trước của dụng cụ CBN với vật liệu gia công có thể hạn chế sự phát triển
trường nhiệt độ trong dụng cụ cắt.
Có thể sử dụng kết quả mô hình tiện thép 9XC bằng dao PCBN cho các
nghiên cứu sau và ứng dụng thực tế của các cơ sở sản xuất.
Luận văn đã hoàn thành mục tiêu đặt ra của đề tài.
2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
Đây là đề tài thạc sỹ, thời gian làm luận văn không cho phép nên em mới làm
được thí nghiệm với một chế độ cắt để xác định trường nhiệt độ trong dụng cụ CBN
trong tiện cứng vật liệu thép hợp kim cụ thể. Trong quá trình làm luận văn, tác giả
nhận thấy với việc ứng dụng các phần mềm phân tích hiện đại để giải bài toán bằng
phương pháp phần tử hữu hạn, sẽ giúp cho việc giải bài toán một cách nhanh chóng,
thuận lợi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




-65Từ kết quả thu được trong luận văn này, chúng ta có thể giải quyết được nhiều
bài toán về trường nhiệt độ một cách nhanh chóng trong điều kiện thiết bị nghiên
cứu thực nghiệm còn nhiều khó khăn ở nước ta.
Trong luận văn này em mới chỉ dừng lại ở việc xác định trường nhiệt độ bằng
thực nghiệm ở một chế độ cắt và mới giải quyết bài toán bằng việc mô phỏng trong

mô hình 2D. Trong thời gian tới, em sẽ tiếp tục mở rộng phạm vi nghiên cứu với
nhiều chế độ cắt khác nhau, nhiều vật liệu khác nhau và xác định nhiệt độ ở các
hình thức gia công khác (xác định trường nhiệt độ trong mô hình 3D). Em sẽ tiến
hành làm các nghiên cứu thực nghiệm đồng thời so sánh và kiểm chứng kết quả
nghiên cứu bằng lý thuyết.
Do tính mới của đề tài, sự phức tạp của bài toán trường nhiệt độ trong gia công
kim loại, đặc biệt là trong tiện cứng, hơn nữa, tài liệu tham khảo bằng tiếng Việt
còn ít, thiết bị thí nghiệm trong nước còn nhiều hạn chế nên chắc chắn luận văn sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được các ý kiến chỉ bảo của
các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




-66-

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. PGS.TS Phan Quang Thế (2002), Nghiên cứu khả năng làm việc của dụng cụ
thép gió phủ dùng cắt thép các bon trung bình, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường
ĐH Bách Khoa Hà Nội.
[2]. PGS.TS Phan Quang Thế, Th.S Nguyễn Thị Quốc Dung (2008), “Tương tác ma
sát giữa phoi và mặt trước của dao gắn mảnh PCBN khi tiện theo 9XC qua tôi”, Tạp
chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học (60).
[3]. PGS.TS Phan Quang Thế, Th.S Nguyễn Thị Quốc Dung (2008), “Ảnh hưởng
của vận tốc cắt đến mòn và cơ chế mòn dụng cụ gắn mảnh PCBN khi tiện tinh thép
9XC qua tôi”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học (62).
[4]. Bành Tiến Long, Trần Thế Lực, Trần Sỹ Túy (2001), Nguyên lý gia công vật

liệu, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[5]. Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết Tiếp, Trần
Xuân Việt (2003), Công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[6]. Trần Văn Địch (2004), Gia công tinh bề mặt chi tiết máy, NXB Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội.
[7]. Trần Hữu Đà, Nguyễn Văn Hùng, Cao Thanh Long (1998), Cơ sở chất lượng
của quá trình cắt, trường Đh Kỹ thuật công nghiệp.
[8]. TS. Trần Minh Đức (2008), Tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt, trường ĐH
Kỹ thuật Công nghiệp TN.
[9]. TS. Nguyễn Văn Hùng (2008), Tính gia công của vật liệu, trường Đh Kỹ thuật
công nghiệp.
[10]. TS. Nguyễn Hoài Sơn. Th.S Lê Thanh Phong, Th.S Mai Đức Đãi (2008), Ứng
Dụng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn Trong Tính Toán Kỹ Thuật, NXB Đại học
Quốc gia TPHCM, thành phố Hồ Chí Minh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




-67[11]. Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2003), Phương pháp phần tử hữu hạn lý
thuyết và bài tập, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[12]. Trần Ích Thịnh, Ngô Như Khoa (2007), Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[13]. Đặng Tính (1999), Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán khung và móng
công trình làm việc đồng thời với nền, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[14]. Nguyễn Thế Tranh, Trần Quốc Việt (2007), Giáo trình cơ sở cắt gọt kim loại,
Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
[15]. Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), Hướng dẫn sử dụng ANSYS, Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[16]. Trent E.M. and Wright P.K. (2000), Metal Cutting, Butterworth-Heinemann,
USA
[17]. Thomas Child, Katsuhiro Maekana, Toshiyuki Obikawa, Yasuo Yamane
(2000), Metal Machining – Theory and Applications, Arnold, London, England.
[18]. David V.Huttun (2004), Fundametals of Finite Element Analysis,

(C)

The

McGraw – Hill Companies, USA.
[19]. Rezhicob A.N. (1969), Heat Generation in Metal Cutting, Moscow.
[20]. G.R.Liu and S.S.Quek (2003), The Finite Element Method Apratical course,
National University of Singapore, Singapore.
[21]. Singiresu S. Rao (2004), The Finite Element Method in Engineering (fourth
edition), Elsevier Sciences & Techhnology Books.
[22]. Li X. Kopalinsky E. M and Oxley P. L. B (1995), “ A Numerical Method for
Determining Temperature Distribution in machining with Coolant” –

Part 1:

Modelling Process, Journal of Engineering Manufacture, Vol 209 No B1, pp. 33-43.
[23]. W.Grzesik, M.Bartoszuk, P. Nieslony (2005), “Finite Element modedeling of
temperature distribution in the cutting zone in turning processes with differently
coated tools”, Materials Processing Techhnology (164-165)
[24]. A.K.Tieu, X.D Fang, D.Zhang (1998), “FE anlaysis of cutting tool
temperature field with adhering layer formation”, Wear (214)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

-68[25]. Vincent Desoly, Shreyes N.Melkote, Christophe Lescalier (2004), “Modeling
and verification of cutting tool temperature in rotary tool turning of hadened steel”,
Machine Tool & Manufacture (44).
[26]. X.J.Ren, Q.X Yang, R.D Jame, L. Wang (2004), “Cutting temperature in hard
turing chromium hardfacing with PCBN tooling”, Materials Processing Techhnolog
(147).
[27]. Y. Kevin Chou, Chris J. Evans (1999), “White layers and thermal modeling of
hard turned surfaces”, Machine Tools & Manufacture (39).
[28]. Y.Kevin Chou, Hui Song (2005), “Thermal modeling for white layer
predictions in finish hard turning”, Machine Tools & Manufacture (45).
[29]. A.O.Tay, M.G.Stevenson, G.De Vahl Davis và P.L.B.Oxley (1976), “A
numerical method for caculating temperature distribution in machining, from force
and shear angle measurements”, Mach. Tool Des. Vol.16
[30]. Jun C. K and Smith K. H (1994), “ Alumina-Silicon Carbide Whisker
Composite Tools” , Ceramic Cutting Tools, Noyes Publications, New Jersey, USA.
Pp. 86-111
[31]. A.A.O.Tay (1993), A review of methods of calculating machining
temperature, Journal of Materials Processing Techhnology, 36/1993 (225-257),
Singapore.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN