Xây dựng vòng tròn lực merchant và xác định hệ số ma sát khi tiện kim loại màu trên máy tiện cnc bằng dụng cụ phủ kim cương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------

PHAN THỊ CẨM THANH

XÂY DỰNG VÒNG TRÒN LỰC MERCHANT VÀ
XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT KHI TIỆN KIM LOẠI
MÀU TRÊN MÁY TIỆN CNC BẰNG DỤNG CỤ PHỦ
KIM CƯƠNG

Chuyên ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2011


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Dỗn Sơn
1
***************************************************************************

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Doãn Sơn
Cán bộ chấm nhận xét 1:.............................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:.............................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia

TP.HCM ngày……..tháng…….năm………
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .................................................................................................................................
2. .................................................................................................................................
3. .................................................................................................................................
4. .................................................................................................................................
5. .................................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
2
***************************************************************************

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phan Thị Cẩm Thanh

MSHV: 09040380

Ngày, tháng, năm sinh: 25/03/1983

Nơi sinh: Hà Tĩnh

Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy

Mã số :

I. TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng vòng tròn lực Merchant và xác định hệ số ma sát khi tiện
kim loại màu trên máy tiện CNC bằng dụng cụ phủ kim cương.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu tổng quan.
2. Kim loại màu và hợp kim nhôm.
3. Dụng cụ phủ và vật liệu phủ để gia cơng kim loại nói chung và hợp kim nhơm nói
riêng.
4. Xác định lực cắt bằng thực nghiệm và xác định mối quan hệ giữa lực cắt với chế độ
cắt.
5. Thiết lập vòng tròn lực Merchant với giá trị lực cắt khi tiện nhôm trên máy tiện
CNC bằng dụng cụ phủ kim cương.
6. Kết luận và hướng phát triển .
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày…….tháng……..năm……..
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày…….tháng……..năm……..
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. Trần Doãn Sơn.

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
3
***************************************************************************

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Cơ Khí trường Đại học
Bách Khoa TP.HCM đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt cho tơi những kiến thức quý
báu.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến các bạn học viên khóa 2009 đã nhiệt tình
đóng góp những ý kiến q báu.
Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Doãn Sơn,
người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ cũng như truyền đạt những kiến thức và kinh
nghiệm cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2011

Phan Thị Cẩm Thanh

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Dỗn Sơn
4
***************************************************************************

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Sự ra đời của các loại dụng cụ cắt một lớp phủ, nhiều lớp phủ, đặc biệt sự ra đời
của máy CNC đã góp phần đáng kể trong việc nâng cao năng suất cắt gọt. Vì vậy việc
nghiên cứu lực cắt, xác định hệ số ma sát trên máy CNC bằng dụng cụ phủ là tất yếu,
để tìm hiểu sâu hơn về tiêu hao năng lượng, công tạo ra phoi, nhiệt cắt, công tiêu hao
ma sát để định hướng cho các nhà vật liệu học chế tạo ra những vật liệu mới với mục
đích giảm ma sát.
Với mục đích đó luận văn của em nghiên cứu những vấn đề sau:
-

Tìm hiểu về dụng cụ phủ

-

Tìm ra phương trình hồi quy thực nghiệm để xác định mối quan hệ giữa lực
cắt và chế độ cắt bằng phương pháp quay bậc hai của Box và Hunter khi gia
công bằng dụng cụ phủ kim cương

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
5
***************************************************************************

MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1:

Trang 7

TỔNG QUAN VỀ LỰC CẮT……………………………………………
1.1. Đặt vấn đề …………………………………………………………….

Trang 7

1.2. Các thành phần lực cắt và một số ký hiệu lực cắt trên một số dụng cụ

Trang 7

cắt thông dụng………………………………………………………………
1.2.1. Lực cắt khi tiện……………………………………………….
1.2.2. Lực cắt khi khoan……………………………………………
1.2.3. Lực cắt khi phay………………………………………………
1.3 Nghiên cứu mơ hình vật lý của q trình cắt…………………………..

Trang 9

1.3.1 Mơ hình cắt trực giao………………………………………….

Trang 9

1.3.1.1 Các giả định trong cắt trực giao……………………..
1.3.1.2 Xấp xỉ mơ hình cắt trực giao với mơ hình tiện……...
1.3.2 Q trình cắt và tạo phoi………………………………………

Trang 10

1.3.2.1 Quá trình cắt…………………………………………
1.3.2.2 Các dạng phoi………………………………………..
1.3.2.3 Hệ số co rút phoi…………………………………….
1.3.3 Xây dựng vòng tròn lực Merchant và xác định hệ số ma sát…

Trang 16

1.3.3.1 Mối quan hệ lực cắt và vòng tròn lực Merchant……
1.3.3.2 Phương trình Merchant……………………………..
1.3.4 Cơng suất và năng lượng riêng……………………………….

Trang 18

1.3.4.1 Cơng suất……………………………………………
1.3.4.2 Năng lượng riêng……………………………………
1.3.4.3 Sự phân bố năng lượng………………………………
1.3.5 Nhiệt cắt………………………………………………………

Trang 22

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Dỗn Sơn
6
***************************************************************************

CHƯƠNG 2:

Trang 25

TÌM HIỂU VỀ KIM LOẠI MÀU, NHÔM, HỢP KIM NHÔM VÀ DỤNG
CỤ GIA CÔNG……………………………………………………………..
2.1 Khái niệm về kim loại màu và phân loại……………………………….

Trang 25

2.2 Nhôm và hợp kim nhôm………………………………………………..

Trang 26

2.2.1 Giới thiệu……………………………………………………...
2.2.2 Nhôm nguyên chất…………………………………………….
2.2.3 Hợp kim nhôm………………………………………………...

2.2.3.1 Phân loại hợp kim nhôm……………………………..
2.2.3.2 Ký hiệu hợp kim nhôm………………………………
2.3 Dụng cụ gia cơng……………………………………………………….

Trang 31

2.3.1 Toolholder……………………………………………………..
2.3.2 Insert…………………………………………………………...
CHƯƠNG 3
TÌM HIỀU VỀ VẬT LIỆU DỤNG CỤ CẮT CÓ LỚP PHỦ………………

Trang 43

3.1 Giới thiệu về dụng cụ cắt có lớp phủ…………………………………...

Trang 43

3.2 Cấu tạo………………………………………………………………….

Trang 43

3.3 Đặc điểm và công dụng của từng lớp phủ………………………………

Trang 47

3.4 Một số kết quả nghiên cứu về vật liệu có lớp phủ……………………...

Trang 49

3.4.1 Dụng cụ cắt của hãng Sanvik………………………………….

3.4.1.1 Công nghệ Wiper cho dụng cụ gia cơng có kết cấu
đặc biệt………………………………………………………………
3.4.1.2 Các insert dùng gia công kim loại màu và hợp kim
màu…………………………………………………………………
3.4.1.3 Các insert dung gia công thép và gang……………...
3.4.2 Dụng cụ cắt của hãng Seco……………………………………
3.4.3 Dụng cụ căt của hãng Ceratizit……………………………….
***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
7
***************************************************************************

CHƯƠNG 4
XÁC ĐỊNH LỰC CẮT BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG MỐI
QUAN HỆ GIỮA LỰC CẮT VỚI CHẾ ĐỘ CẮT………………………...

Trang 55

4.1 Cơ sở lý thuyết………………………………………………………….

Trang 55

4.1.1 Cơng thức tổng qt để tính lực cắt khi tiện…………………..
4.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện…………………….
4.1.3 Đo lực cắt bằng lực kế………………………………………..

4.1.3.1 Nguyên lý đo lường chung………………………….
4.1.3.2 Đo biến dạng gây ra bởi lực cắt……………………
4.2 Thực nghiệm…………………………………………………………..

Trang 60

4.2.1 Dụng cụ, thiết bị thực nghiệm…………………………………
4.2.2 Tiến hành thực nghiệm………………………………………..
4.2.3 Cơ sở lý thuyết………………………………………………...
4.2.4 Xử lý số liệu thực nghiệm……………………………………..
4.2.4.1 Xác định ma trận quy hoạch thực nghiệm đối với
thông số tối ưu lực cắt Fc………………………………………….
4.2.4.2 Xác định ma trận quy hoạch thực nghiệm đối với
thơng số tối ưu lực cắt Ft………………………………………….
CHƯƠNG 5
THIẾT LẬP VỊNG TRÒN LỰC MERCHANT VỚI CÁC GIÁ TRỊ LỰC
CẮT KHI TIỆN NHÔM VỚI DỤNG CỤ PHỦ KIM CƯƠNG………….

Trang 78

5.1 Cơ sở lý thuyết………………………………………………………….
5.2 Xây dựng vòng tròn lực Merchant và xác định hệ số ma sát…………
CHƯƠNG 6
KẾT LUẬN……………………………………………………………….

Trang 85

6.1 Những vấn đề đạt được…………………………………………………
6.1.1 Về phần lý thuyết……………………………………………...
***************************************************************************

HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
8
***************************************************************************

6.1.2 Về phần thực nghiệm………………………………………….
6.2 Kiến nghị về hướng phát triển của đề tài……………………………….
Tài liệu tham khảo………………………………………………………….

Trang 86

Phục lục…………………………………………………………………….

Trang 87

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
9
***************************************************************************

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ LỰC CẮT

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Việc ngiên cứu lực cắt trong q trình gia cơng cắt gọt có ý nghĩa rất quan trọng
cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Trong thực tế, những nhận thức về lực cắt rất quan trọng
để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính tốn và thiết kế máy móc thiết bị,… Dưới
tác dụng của lực cắt và nhiệt thì dụng cụ cắt sẽ mòn, bị phá hủy. Muốn hiểu được quy
luật mài mịn và phá hủy thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt. Muốn tính
cơng tiêu hao khi cắt cũng cần phải biết được lực cắt. Giữ ổn định lực cắt trong q
trình gia cơng sẽ giúp ta cải thiện được chất lượng bề mặt gia công, tăng năng suất và
giảm bớt việc mòn và gãy dụng cụ trong q trình gia cơng. Vì vậy việc nghiên cứu
lực cắt có vai trị rất quan trọng cần phải biết.
Mặt khác từ việc xác định được lực cắt chúng ta có thể tính tốn được hệ số ma
sát. Việc biết được hệ số ma sát có thể xem là “chìa khóa cho sự biết được q trình
cắt”.Từ đó định hướng cho các nhà vật liệu học nghiên cứu các vật liệu mới nhằm
giảm ma sát.
1.2.CÁC THÀNH PHẦN LỰC CẮT VÀ KÝ HIỆU LỰC CẮT TRÊN MỘT SỐ DỤNG
CỤ THÔNG DỤNG
1.2.1. Lực cắt khi tiện:

Hình 1.1: Các thành phần lực cắt của lưỡi cắt đơn

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
10
***************************************************************************

Hệ thống lực cắt khi tiện được mơ tả sơ bộ ở hình trên. Lực tổng hợp R được
phân tích thành 3 thành phần. Lực tiếp tuyến Pz, lực hướng kính Py và lực ngược hướng
với chuyển động chạy dao( lực chiều trục) Px.
R = Px2 + Py2 + Pz2

1.2.2. Lực cắt khi khoan.

Hình 1. 2: Các thành phần lực cắt của mũi khoan
Khi khoan gồm các thành phần lực sau:
-

Cặp lực tiếp tuyến PT1, PT2 (Tương tự với lực PZ ở trong tiện).

-

Lực PX1, PX2 lực song song với trục mũi khoan.

-

Thành phần lực tổng hợp PXe.
Tổng hình chiếu của các lực trên trục x trùng với trục mũi khoan chính là lực

chiều trục khi khoan, thông thường lực này rất lớn khi khoan.
PXT= PX1+ PX2+ PXe
***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS-TS Trần Dỗn Sơn
11
***************************************************************************

Cịn các thành phần lực PY1, PY2 là lực hướng kính tác dụng trên hai lưỡi cắt
chính. Chúng ngược hướng và có trị số bằng nhau nên triệt tiêu lẫn nhau nếu hình học
của dao được làm chính xác.
1.2.3. Lực cắt khi phay.

Hình1.3: Các thành phần lực cắt của dao phay
Gồm các thành phần lực:
-

Lực tiếp tuyến PT, là lực cắt chính.

-

Lực hướng kính tác dụng vng góc với phương trục chính PR.

-

Lực chiều trục PY.

1.3. NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH VẬT LÝ CỦA Q TRÌNH CẮT
1.3.1 Mơ hình cắt trực giao:
Trong q trình gia cơng kim loại, về mặt hình học thì khá phức tạp. Có một mơ
hình cắt được dùng mà nó không tâm đến những yếu tố phức tạp về mặt hình học
nhưng vẫn mơ tả khá chính xác q trình gia cơng đó là mơ hình cắt trực giao. Mặc dù
q trình gia cơng thực tế có 3 chiều, nhưng trong mơ hình cắt trực giao chỉ có 2 chiều
nhưng nó vẫn đóng vai trị quan trọng trong việc phân tích và đánh giá.

1.3.1.1. Các giả định trong cắt trực giao
-

Mơ hình cắt được biểu diễn tương xứng bởi hình học 2 chiều.

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
12
***************************************************************************

-

Dụng cụ cắt sắc bén.

-

Dụng cụ cắt tiếp xúc với phoi ở mặt trước của nó.

-

Biến dạng chính xảy ra trong 1 vùng rất nhỏ sát ngay bề mặt trượt( shear plane)

-

Cạnh cắt vng góc với hướng cắt.

Hình 1.4: Mơ hình cắt trực giao
1.3.1.2. Xấp xỉ mơ hình cắt trực giao với mơ hình tiện
Mơ hình cắt trực giao có thể được xem như mơ hình gia cơng tiện và các
phương pháp gia công một lưỡi cắt khác sao cho bước tiến f trong gia công tương ướng
với chiều sâu cắt t. Như vậy hầu hết quá trình cắt sẽ diễn ra theo hướng của bước tiến f
và quá trình cắt tại mũi dao sẽ được bỏ qua.

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Dỗn Sơn
13
***************************************************************************

a) Mơ hình cắt khi tiện

b) Mơ hình cắt trực dao

Hình 1.5: Chuyển đổi từ mơ hình tiện sang mơ hình cắt trực giao
Các ký hiệu về điều kiện cắt gọt trong hai trường hợp này cũng có sự khác nhau.
Chiều dày phoi trước khi gia cơng to trong mơ hình cắt trực dao tương ứng với bước
tiến f trong tiện, và chiều rộng w trong mơ hình cắt trực dao tương ứng với chiều sâu
cắt d trong tiện. Thêm vào đó lực đẩy trong cắt trực giao tương ứng với lực ăn dao khi
tiện.Còn tốc độ cắt trong hai trường hợp này đều được ký hiệu như nhau.
Và bảng sau chỉ các ký hiệu trong mơ hình cắt trực dao và tiện.
Mơ hình tiện

Mơ hình cắt trực dao

Bước tiến f

Chiều dày phoi trước khi gia công to

Chiều sâu cắt d

Chiều rộng cắt w

Lực cắt Fc

Lực cắt Fc

Lực ăn dao Ff

Lực đẩy Ft

1.3.2. Quá trình trình cắt và tạo phoi.
1.3.2.1 Quá trình cắt

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
14

***************************************************************************

Khi cắt để có thể tạo ra phoi lưc tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra
trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia cơng.
Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp kim loại bị
cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy. Việc nghiên cứu q trình tạo phoi có
một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của cơng cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt
gia cơng phụ thuộc vào q trình tạo phoi.
Khi cắt do tác dụng của lực cắt dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước. Khi
dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng
này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo, di chuyển thoe mặt trước của dao.
Nghiên cứu kim tương khu vực tạo phoi chứng tỏ rằng giữa lớp kim loại bị cắt và phoi
có một khu vực biến dạng goi là miền biến dạng trượt.
Ngoài ra lớp kim loại bị cắt sau khi đã bị biến dạng trong miền biến dạng trượt khi
chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt trước của dao.
Được biểu diễn trên mơ hình sau:

Hình 1.6: Biểu diễn quá trình cắt

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
15
***************************************************************************

1.3.2.2 Các dạng phoi

Tùy theo vật liệu gia cơng, thơng số hình học của dao và chế độ cắt, phoi cắt ra
có 4 hình dáng cơ bản sau:

Hình 1.7:Các dạng phoi
- Phoi vụn (hình a): Khi gia cơng vật liệu giịn( như gang…) với tốc độ cắt thấp ta
thường thu được lại phoi này. Phoi bị tách ra chủ yếu do tác dụng của ứng suất kéo,
không qua gia đoạn biến dạng dẻo, bởi vì vật liệu là loại vật liệu có ứng suất kéo kém
hơn ứng suất nén rất nhiều.
Độ bóng đạt được khi cắt phoi vụn khơng cao, bề mặt có cấu tạo gần giống như bề mặt
kim loại khi bị phá hủy giịn.
- Phoi dây (hình b): Khi gia cơng vật liệu dẻo với tốc độ cao và chiều dày cắt bé. Phoi
kéo dài liên tục, mặt kề với mặt trước của dao rất bóng, cịn mặt đối diện hơi bị gợn.
Q trình trượt dẻo khơng lớn, q trình cắt dễ dàng hơn.
- Phoi dây với lẹo dao (hình c): Khi gia công vật liệu dẻo với tốc độ từ thấp đến trung
bình, thì ma sát sinh ra giữa dụng cụ cắt và phoi có xu hướng gây ra phần của kim loại
bị cắt dính chặt vào lưỡi cắt của dụng cụ. Sự hình thành này được gọi là hiện tượng lẹo
dao. Sự hình thành lẹo dao là có chu kỳ, nó hình thành và phát triển, sau đó trở nên
không ổn định và mất đi. Khi lẹo dao bị cuốn đi theo phoi có thể một phần bám vào bề
mặt gia cơng, đó chính là ngun nhân làm cho bề mặt gia công trở nên thô. Đồng thời

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
16
***************************************************************************

sự xuất hiện và mất đi của lẹo dao làm cho các góc cắt của dao trong q trình cắt ln
ln biến đổi.
- Phoi xếp (hình d): Phoi thu được khi gia cơng vật liệu dẻo(thép, đồng thau…) ở tốc
độ cắt thấp, chiều dày cắt lớn và góc cắt của dao có giá trị tương đối lớn. Phoi kéo dài
từng đoạn ngắn, mặt đối diện với mặt trước của dao rất bóng, mặt kia có dạng răng cưa.
Mức độ trượt dẻo thể hiện rất rõ. Phoi xếp chịu biến dạng rất lớn, độ cứng của phoi thu
được tăng 2-3 lần vật liệu gia công.
Nếu giữ nguyên các điều kiện cắt khác và tăng tốc độ cắt thì sự biến dạng của phoi
giảm đi, khiến cho bán kính của cuộn phoi tăng lên
Góc cắt càng lớn, chiều dày cắt càng bé thì biến dạng của phoi càng lớn nên bán kính
của cuộn phoi càng nhỏ.
Dạng mặt trước của dao cũng ảnh hưởng rất lớn đến bán kính của cuộn phoi. Khi dao
mịn mặt trước, tạo ra một rãnh cong thì độ cong của rãnh đó trực tiếp ảnh hưởng đến
bán kính của cuộn phoi.
Diện tích tiếp xúc của phoi với mặt trước của dao phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia
cơng, tốc độ cắt, chiều dày cắt và các điều kiện cắt khác. Nếu diện tích tiếp xúc đó
giảm đi thì khi cùng một giá trị lực cắt tải trọng đơn vị lên dao sẽ tăng lên.
1.3.2.3 Hệ số co rút phoi

Hình 1.8: Mơ hình hình học và thơng số của q trình cắt
***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
17
***************************************************************************

Tỷ lệ giữa chiều dày phoi ban đầu chưa bị biến dạng to chiều dày cắt với chiều
dày phoi tc được goi là hệ số cắt r:
r=

to
tc

Vì chiều dày phoi sau khi cắt luôn lớn hơn chiều dày tương ứng ban đầu nên hệ số cắt r
nhỏ hơn 1.
Mơ hình hình học của cắt trực giao cũng cho phép thiết lập mối quan hệ quan trọng
giữa hệ số cắt r, góc trước α và góc trượt φ . Với cơng thức sau:
r=

t0
l s . sin φ
sin φ
=
=
t c l s . cos(φ − α ) cos(φ − α )

Trong đó:
to= ls.sin φ
tc= lscos( φ - α)
ls chiều dài mặt trượt
Hệ số co rút phoi là nghịch đảo của hệ số cắt:
K=

1 cos(φ − α )
=
r

sin φ

Như vậy góc trượt φ có thể tính như sau:
tan φ =

r cos α
1 − r sin α

Trị số của hệ số co rút phoi phụ thuộc vào tất cả các yếu tố có ảnh hưởng đến sự
biến dạng của phoi( tính chất cơ lý của vật liệu gia cơng, hình dạng hình học của dao,
chế độ cắt và các điều kiện cắt khác) và có giá trị trong một phạm vi rộng K= 1÷8.
Từ phương trình trên ta thấy khi tăng góc trước α thì hệ số có rút phoi tăng. Vì khi tăng
góc trước thì dụng cụ càng khó ăn sâu vào vật liệu gia cơng khiến cho vật liệu gia công
chịu biến dạng càng lớn.

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
18
***************************************************************************

1.3.3 Xây dựng vòng tròn Merchant và xác định hệ số ma sát.
Một vài lực cắt có thể được xác định trong mơ hình cắt trực giao. Dựa trên các
lực này, ứng suất trượt, hệ số ma sát và các mối quan hệ lực khác được xác định.
1.3.3.1 Lực trong quá trình cắt.
Trong quá trình cắt trực giao các lực tác dụng lên phoi và dụng cụ cắt được biểu

diễn như sau:

a. Lực tác dụng lên phoi

b. Lực tác dụng lên dụng cụ cắt

Hình 1.10 Các thành phần của lực cắt
Gồm các thành phần lực:
1. Lực ma sát F: là lực sinh ra giữa dụng cụ cắt và phoi, chống lại sự thoát phoi
dọc theo mặt trước của dụng cụ cắt.
2. Phản lực ma sát N: là lực vng góc với lực ma sát.
Hai thành phần lực F và N có thể được sử dụng để xác định hệ số ma sát μ giữa
dụng cụ cắt và phoi.
μ=

F
N

Tổng hợp lực ma sát và phản lực của nó ta có lực R. Lưc R định hướng cho góc β,
gọi là góc ma sát. Giữa góc ma sát và hệ số ma sát có mối quan hệ như sau:
μ = tan β

3. Lực trượt Fs: là lực gây ra biến dạng trượt xảy ra trên bề mặt trượt.

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
19
***************************************************************************

4. Phản lực của lực trượt Fn: là lực vng góc với lực trượt.
Dựa vào lực trượt, chúng ta có thể xác định được ứng suất xảy ra dọc mặt phẳng
trượt giữa mặt trượt và phoi.
τ=

Fs
As

(1.1)

Với As là diện tích bề mặt trượt và được xác định bởi công thức sau:
As =

to * w
sin φ

(1.2)

Trong đó:
to chiều dày hiệu chỉnh ban đầu.
w: bề rộng của phơi.
φ : góc trượt.

Tổng hợp hai véc tơ lực Fn và Fs ta có lực R’, véc tơ lực R’ phải có cùng độ lớn,
cùng phương nhưng ngược hướng với véc tơ lực R.
Chú ý: Bốn thành phần lực F, N, Fs, Fn không thể đo trực tiếp trong q trình gia cơng.

5. Lực cắt Fc: đây là lực thực hiện quá trình cắt, cùng hướng với vận tốc cắt v.
6. Lực đẩy Ft: là lực cùng phương với to. Vng góc với lực cắt Fc.
Tổng hợp hai véc tơ lực Fc và Ft ta có lực R”. Hai thành phần lực này lực này có thể
xác định được trong q trình gia cơng bởi dụng cụ đo lực.
Để liên kết bốn thành phần lực không xác định được trực tiếp với hai thành phần
lực xác định được ta xây dựng biểu đồ lực sau:

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Dỗn Sơn
20
***************************************************************************

Hình 1.11: Vịng trịn lực Merchant
Theo cơng thức lượng giác ta có mối quan hệ sau:
F = Fc .sin α + Ft .cos α
N = Fc .cos α − Ft .sin α

(1.3)

Fs = Fc .cos φ − Ft .sin φ
Fn = Fc .sin φ + Ft .cos φ

Như vậy nếu lực cắt ( Fc) và lực đẩy (Ft) được xác định thì dựa vào vịng trịn
lực Merchant chúng ta có thể tính được lực trượt, lực ma sát, phản lực của lực ma sát.
Từ đó chúng ta cịn có thể tính được hệ số ma sát và ứng suất trượt như sau:

R = Fc2 + Ft 2
F = R. sin β
N = R. cos β

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn
21
***************************************************************************

μ=

F Ft + Fc . tan α
=
N Fc − Ft . tan α

1.3.3.2 Phương trình Merchant.
Một mối quan hệ quan trọng trong cắt gọt kim loại đã được Eugene Merchant
phát hiện ra. Phát hiện này dựa trên phương trình của cắt trực giao nhưng giá trị của nó
vẵn đúng khi gia cơng trong mơ hình 3 chiều.
Dựa vào phương trình (1.1), (1.2), (1.3) ta có:
τ=

Fc .cos φ − Ft .sin φ
(to .w / sin φ )

Theo Merchant trong tất cả các góc φ thì chỉ có duy nhất một góc mà tại đó ứng suất
trượt τ bằng với sức bền trượt của vật liệu S và cũng tại góc này biến dạng trượt mới
xẩy ra để hình thành phoi, cịn các góc khác thì τĐiều này cũng có nghĩa là vật liệu gia cơng sẽ lựa chọn góc trượt sao cho năng lượng
là nhỏ nhất.
Góc trượt này được xác định bằng cách lấy đạo hàm của ứng suất cắt trong công thức
(1.4) từ 0 đến φ . Ta được phương trình Merchant:
φ = 45 +

α
2

−

β
2

Từ đó có thể rút ra kết luận sau:
-

Khi tăng góc trước(α) sẽ làm cho góc trượt tăng lên.

-

Khi giảm góc ma sát ( hay hệ số ma sát) sẽ làm cho góc trượt tăng lên.

Khi góc trượt tăng lên thì lực cắt và năng lượng cần thiết cũng giảm theo.
1.3.3 Công suất và năng lượng riêng
1.3.4.1 Công suất
Công suất là sản phẩm của lực cắt và tốc độ cắt là năng lượng trên một đơn vị

thời gian cần để thực hiện quá trình cắt gọt.
P= Fc. v

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Dỗn Sơn
22
***************************************************************************

Trong đó:
P: là công suất cắt gọt(N-m/s hay W hay ft-lb/min)
Fc: lực cắt (N hay lb)
v: vận tốc cắt (m/shay ft/min)
Theo đơn vị Mỹ có thể đánh giá cơng suất theo mã lực (hp):
hpc =

Fc .v
33000

Trong đó: hpc là mã lực cắt gọt (hp)
Mã lực tổng hợp của động cơ máy:
hp g =

hpc
E

Trong đó:
hpg: mã lực tổng hợp (hp)
E: hiệu suất là việc của máy(%) và thường có giá trị khoảng 90%
- Người ta thường chuyển công suất sang công suất trên 1 đơn vị thể tích vật liệu bị cắt
gọt hay cịn gọi là mã lực đơn vị
hpu =

hpc
MRR

Trong đó:
hpc: mã lực cắt gọt(hp)
hpu: mã lực đơn vị( hp/(in3/min)
MRR: thể tích vật liệu cắt gọt trong 1 phút(in3/min)
MRR = v.to.w
1.3.4.2 Năng lượng riêng
Mã lực đơn vị có thể được biểu diễn một cách đơn giản như là công suất đơn vị
và được biết như là năng lượng đơn vị hay năng lượng riêng U. Được xác định như sau:
U=

F .v
F
P
= c = c
MRR v.t o .w t o .w

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009

LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Dỗn Sơn
23
***************************************************************************

Trong đó:
U: năng lượng riêng (in-lb/in3 hay N-m/mm3) thường dùng hoặc (lb/in2 hay N/mm2)
t0: chiều dày phoi ban đầu (mm hay in)
w: bề rộng phoi (mm hay in)
Mã lực đơn vị(hpu) và năng lượng riêng (U) cung cấp một sự đo lường rất hữu
ích cho ta biết cơng suất(hay năng lượng) u cầu để bóc đi 1in3 trong q trình gia
cơng kim loại. Với cách đo này ta có thể so sánh mã lực đơn vị và năng lượng riêng
cần thiết của những loại vật liệu gia công khác nhau

Bảng giá trị mã lực đơn vị và năng lượng riêng cần thiết để gia công những loại vật
liệu khác nhau, sử dụng dụng cụ cắt sắc bén và chiều dày phoi trước khi cắt t0=0,01in
(0,25mm)
1.3.4.3 Sự phân bố năng lượng
- Sự phân bố của năng lượng cắt gọt giữa dụng cụ, phôi và phoi thay đổi cùng với vận
tốc cắt.
- Ở vận tốc thấp, một phần năng lượng đáng kể được hấp thu vào dụng cụ cắt. Nhưng ở
vận tốc cao hơn( và mức độ năng lượng cao hơn) do sự chuyển động của phoi rất
***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009


LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS-TS Trần Doãn Sơn

24
***************************************************************************

nhanh nên nhiệt khơng kịp truyền từ phoi vào dụng cụ cắt. Vì vậy phần nhiệt hấp thụ
vào dụng cụ cắt giảm và hầu hết được mang ra ngoài cùng phoi. Điều này giúp kéo dài
tuổi thọ cho dụng cụ cắt. Được biểu diễn trên đồ thị như sau:

Hinh 1.12: Đồ thị phân bố năng lượng khi cắt
1.3.5 Nhiệt cắt
- Trong tổng số năng lượng tiêu hao khi gia công cắt gọt, hầu hết(xấp xỉ 98%)
được chuyển thành nhiệt. Lượng nhiệt này làm cho nhiệt độ trở nên rất cao tại bề mặt
tiếp giữa dụng cụ cắt và phoi. Phần năng lượng còn lại (khoảng 2%) được dùng cho
biến dạng dẻo trong phoi.
- Có rất nhiều phương pháp phân tích để tính tốn ước lượng nhiệt độ cắt gọt. Ở
đây xin trình bày phương pháp Cook. Phương pháp này có được từ việc phân tích thứ
nguyên, dùng những dữ liệu thực nghiệm cho nhiều loại phôi khác nhau để thiết lập
những giá trị thơng số cho phương trình cuối cùng. Phương trình có thể được sử dụng
để dự đoán nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ và phoi trong suốt q trình gia
cơng.

***************************************************************************
HVTH: Phan Thị Cẩm Thanh (MSHV:0904380)
Lớp: CTM K2009