Nghiên cứu năng lượng tiêu hao khi tiện thép c45 bằng dụng cụ phủ titan

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

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

 

PHẠM TÀI THẮNG

NGHIÊN CỨU NĂNG LƯNG TIÊU HAO KHI TIỆN
THÉP C45 BẰNG DỤNG CỤ PHỦ TITAN

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2007

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
 

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS.TRẦN DOÃN SƠN
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

Cán bộ chấn nhận xét 2:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 16 tháng 12 năm 2007

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

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
---oOo--Tp. HCM, ngày 16 tháng 12 năm 2007

NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Phạm Tài Thắng
Ngày, tháng, năm sinh: 22 – 11 -1980
Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
Khóa (Năm trúng tuyển): 2005

Giới tính: Nam
Nơi sinh: Tp. HCM

1- TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu năng lượng tiêu hao khi tiện thép C45 bằng dụng cụ phủ Titan
2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1. Phần lý thuyết:
- Cấu tạo và tính chất của vật liệu phủ
- Công nghệ phủ
- Ứng dụng
2. Phần thực nghiệm:
- Tìm mối quan hệ giữa lực cắt chính (Pz) và chế độ cắt (v, s, t) bằng
phương pháp quy hoạch thực nghiệm khi tiện thép C45 bằng dụng cụ phủ Titan
- Đánh giá năng lượng tiêu hao khi tiện thép C45 bằng dụng cụ phủ Titan
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
ngày 16 tháng 07 năm 2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
ngày 16 tháng 12 năm 2007
5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS.TS.Trần Doãn Sơn
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. TRẦN DOÃN SƠN

PGS. TS. TRẦN DOÃN SƠN

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005

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

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian theo học Cao học tại trường Đại Học Bách Khoa
Tp.HCM, tôi đã được hướng dẫn, học tập các kiến thức mới về chuyên ngành,
các kỹ năng nghiên cứu khoa học và Luận văn Cao học là kết quả sau cùng của
toàn bộ quá trình học tập.
Để đạt được kết quả này, tôi xin gửi lời tri ân đến những người, nếu không
có sự hỗ trợ, hướng dẫn và góp ý tận tình của họ, có lẽ tôi đã không thể hoàn
thành Luận văn này.
“Xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ, hướng dẫn và góp ý tận tình của thầy
PGS.TS. Trần Doãn Sơn, thầy TS. Nguyễn Cảnh, thầy ThS. Nguyễn Văn Bổng và
các thầy cô, bạn bè thuộc khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Tp. HCM”;
“Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, hỗ trợ đặc biệt của vợ tôi và
tất cả các thành viên trong gia đình, trong suốt thời gian thực hiện luận văn này”;
“Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, hỗ trợ về mặt tinh thần và
tạo điều kiện cho tôi, trong suốt thời gian thực hiện luận văn này, của các đồng
nghiệp, bè bạn tại Trường CĐKT Cao Thắng”.

Tp. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2007
Tác giả

Phạm Tài Thắng

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

HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong sự phát triển của vật liệu dụng cụ cắt mới, vật liệu dụng cụ cắt có
lớp phủ phát triển khá hoàn thiện và mang lại hiệu quả rất cao. Nhưng hiện tại
thì chưa có tài liệu nào nghiên cứu, đánh giá năng lượng tiêu hao khi gia công
bằng dụng cụ cắt có lớp phủ. Do đó để xác định năng lượng tiêu hao khi sử dụng
dụng cụ cắt gọt có lớp phủ thì chúng ta sẽ gặp khó khăn. Vì vậy luận văn sẽ góp
một phần nào đó giải quyết vấn đề trên.
Luận văn này giải quyết 2 vấn đề chính:
1. Tìm hiểu về vật liệu phủ và quy trình công nghệ sản xuất.
2. Tìm mối quan hệ giữa lực cắt Pz và các thông số chế độ cắt (t, s, v) khi
tiện thép C45 đối với dao hợp kim cứng có lớp phủ Titan bằng phương pháp quy
hoạch thực nghiệm.
Từ đó đánh giá năng lượng tiêu hao khi tiện thép C45 bằng dao hợp kim
có lớp phủ Titan trên nền cemented carbide
Thật khó đánh giá cụ thể từng yếu tố cắt trong từng điều kiện gia công cụ
thể. Vì thời gian cũng như điều kiện thí nghiệm còn nhiều hạn chế nên kết quả
đạt được chỉ ở mức hẹp (cụ thể là chỉ nghiên cứu với thép C45).

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)

Lớp:CTM K2005


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

ABSTRACT
Because of the developing in material of cutting tools, coating material has
become pretty perfect and effective. However, there is no documents or research
estimating the consumable energy processed by coating material cutting tools up
till now. That is the reason why we always get the problem trying to define its
consumable energy. This essay will help to solve these issues.
This essay solves 2 main problems :
1. Building knowledge of coating material and the process of producing
technology.
2. Finding the relationship between cutting power Pz and the figures of
cutting part (t, s, v) when using Titanium coating material cutting tools to turning
C45 steel with practical scheme method.
Then we can estimate the consumable energy when using Titanium coating
material cutting tools to turning C45 steel on cemented carbide.
It is hard to estimate every single factor of each processing condition. This
is also the matter of time and the limited condition of researching which can only
lead to a narrow result (in particularly, we can only do research with C45 steel).

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005

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

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT ..... 10
1.1. Mô hình cắt trực giao ............................................................................ 10
1.2. Quá trình tạo phoi ................................................................................. 13
1.3. Mối quan hệ giữa lực và phương trình Merchant ................................. 18
1.4. Công suất .............................................................................................. 23
1.5. Nhiệt cắt ............................................................................................... 24
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU THÉP VÀ DỤNG CỤ GIA CÔNG ............................ 26
2.1. Vật liệu thép ......................................................................................... 26
2.1.1. Giới thiệu .................................................................................... 26
2.1.2. Thép cacbon ............................................................................... 26
2.1.3. Thép hợp kim .............................................................................. 31
2.1.4. Thép kết cấu ............................................................................... 33
2.2. Dụng cụ gia công .................................................................................. 37
2.2.1. Toolholder .................................................................................. 37
2.2.2. Insert ........................................................................................... 42
CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU DỤNG CỤ CẮT CÓ LỚP PHỦ VÀ THỰC TẾ ỨNG
DỤNG ................................................................................................................. 46
3.1. Giới thiệu chung ................................................................................... 46
3.2. Cấu tạo ................................................................................................. 48
3.3. Tính chất của vật liệu phủ .................................................................... 53
3.4. Một vài vật liệu phủ đang sử dụng ....................................................... 56
3.5. Quy trình chế tạo vật liệu phủ .............................................................. 59
3.5.1. Vật liệu nền Cemented carbide .................................................. 59

3.5.2. Chế tạo vật liệu nền Cemented carbide ..................................... 60

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

3.5.3. Công nghệ phủ ............................................................................ 68
3.6. Thiết bị sản xuất ................................................................................... 74
3.7. Thực tế ứng dụng .................................................................................. 78
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU NĂNG LƯNG TIÊU HAO KHI TIỆN THÉP C45
BẰNG DAO PHỦ TITAN .................................................................................. 81
4.1. Cơ sở lý thuyết ...................................................................................... 81
4.1.1. Năng lượng riêng (năng lượng đơn vị) ........................................ 81
4.1.2. Sự phân bố năng lượng ............................................................... 82
4.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng ................................................................. 83
4.2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm ................................................... 85
4.2.1. Mục đích và chọn phương án thực nghiệm ................................. 85
4.2.2. Phương pháp quay bậc hai của Box và Hunter ........................... 87
4.3. Tiến hành thực nghiệm ......................................................................... 92
4.3.1. Điều kiện thực nghiệm ............................................................... 92
4.3.2. Chọn chế độ cắt .......................................................................... 98
4.3.3. Sơ đồ đo lực cắt .......................................................................... 99
4.3.4. Thông số cắt và kết quả thực nghiệm .......................................100
4.3.5. Lập phương trình hồi quy ...........................................................102

4.4. Phân tích kết quả thực nghiệm ............................................................106
4.4.1. Nhận xét, đánh giá phương trình hồi quy ..................................106
4.4.2. Mối quan hệ của Pz và U với v, s, t ...........................................106
4.4.3. Đồ thị tra hệ số hiệu chỉnh ........................................................111
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ..................................................................................113
5.1. Những vấn đề đạt được .......................................................................114
5.1.1. Về phần lý thuyết ......................................................................114
5.1.2. Về phần thực nghiệm ................................................................114

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

5.2. Kiến nghị về hướng phát triển của đề tài ............................................114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................115
PHỤ LỤC ..........................................................................................................116
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................134

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


LUẬN VĂN THẠC SĨ

10
GVHD:PGS-TS Trần Doãn Sơn
**************************************************************************************

CHƯƠNG 1

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA QUÁ
TRÌNH CẮT
1.1. MÔ HÌNH CẮT TRỰC GIAO:

Phần lớn trong quá trình gia công kim loại, về mặt hình học thì khá phức
tạp. Có một mô hình cắt mà nó lờ đi những phức tạp về mặt hình học nhưng vẫn
mô tả khá chính xác quá trình gia công, đó là mô hình cắt trực giao. Mặt dù quá
trình gia công thực tế có 3 chiều, mô hình cắt trực giao chỉ có 2 chiều nhưng nó
đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích đánh giá.

1.1.1. Các giả định trong cắt trực giao:
- Trong cắt trực giao có các giả định sau:
+ Mô hình cắt được biểu diễn tương xứng bởi hình học 2 chiều
+ 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 vuông góc với hướng cắt

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005

LUẬN VĂN THẠC SĨ
11
GVHD:PGS-TS Trần Doãn Sơn
**************************************************************************************

Hình 1.1. Mô hình cắt trực giao

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

1.1.2. Xấp xỉ mô hình cắt trực giao và phương pháp tiện:
- Mô hình cắt trực giao có thể được xem như mô hình gia công tiện và các
phương pháp gia công một lưỡi cắt khác sao cho bước tiến f trong gia công tiện
tương ứng 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 lờ đi.
- Hình dưới đây mô tả sự chuyển đổi từ quá trình cắt trực giao thành quá
trình gia công tiện:

Hình 1.2. Chuyển đổi từ mô hình tiện sang mô hình cắt trực giao
a. mô hình tiện

b. mô hình cắt trực giao tương ứng

- Các ký hiệu về điều kiện cắt gọt trong 2 trường hợp thì khác nhau. Chiều
dày phoi trước khi cắt gọt trong cắt trực giao t0 tương ứng với bước tiến f trong
tiện, và chiều rộng cắt w trong cắt trực giao tương ứng với chiều sâu cắt d khi
tiện. Thêm vào đó, lực đẩy trong cắt trực giao tương ứng với lực ăn dao khi tiện.
Tốc độ cắt và lực cắt của cả hai trường hợp được ký hiệu như nhau.

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

- Việc chuyển đổi được tóm tắt như sau:
Mô hình tiện

Mô hình cắt trực giao

Bước tiến s (hoặc f)

Chiều dày phoi trước khi cắt t0

Chiều sâu cắt t (hoặc d)

Chiều rộng cắt w

Vận tốc cắt v

Vận tốc cắt v

Lực cắt Fc

Lực cắt Fc

Lực ăn dao Ff

Lực đẩy Ft

1.2. QUÁ TRÌNH TẠO PHOI:

1.2.1. Quá trình tạo phoi:
- Quá trình cắt gọt, ví dụ như tiện, khoan, phay, . . . là quá trình bóc đi một
lớp kim loại từ bề mặt của chi tiết bằng lực tác động của dụng cụ, lớp kim loại
được tách ra từ chi tiết gọi là phoi. Để cắt được kim loại lực tác dụng vào dao
phải lớn hơn sức bền của vật liệu gia công. Bản chất cơ học của quá trình tạo
phoi là như nhau cho tất cả các phương pháp cắt gọt.
- Mô hình hình học và các thông số quá trình tạo phoi:

Hình 1.3. Mô hình hình học và thông số trong quá trình tạo phoi
 t0: chiều sâu cắt (d) = chiều dày phoi trước khi cắt (chưa bị biến
dạng)
**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


LUẬN VĂN THẠC SĨ

14
GVHD:PGS-TS Trần Doãn Sơn
**************************************************************************************

 tc: chiều dày phoi
 : góc trước (rake angle)
 : góc trượt (shear angle)
 : góc sau (clearance angle)
 Các biến độc lập: t0, , , V
 Các biến phụ thuộc: , tc
- Dụng cụ với góc trước , góc sau  chuyển động dọc theo bề mặt chi tiết
với vận tốc v nhất định và với chiều sâu cắt t0 điều chỉnh trước. 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 bắt đầu phát sinh ra biến dạng đàn hồi,
sau đó nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày tc
được hình thành di chuyển dọc theo mặt trước của dao.
- Miền tạo phoi được sinh ra trong quá trình tao phoi, giới hạn bởi đường
cong AB. Thực nghiệm cho thấy, khi tăng vận tốc cắt v, diện tích miền tạo phoi
thu hẹp lại và quay theo chiều kim đồng hồ. Khi vận tốc cắt đủ lớn và để đơn
giản hóa, ta xem diện tích vùng trượt chỉ là đường AB và hợp với phương ngang
một góc  gọi là góc trượt.

1.2.2. Các dạng phoi:
Khi quan sát sự hình thành phoi thực tế dưới những điều kiện cắt khác
nhau như vật liệu gia công, thông số hình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt, chúng
ta có những loại phoi khác nhau như sau:
 Phoi dây:
- Thu được khi gia công vật liệu dẻo, chiều sâu cắt nhỏ, vận tốc cắt lớn và
góc trước lớn.
- Phoi dây tạo thành dây dài liên tục. Mặt tiếp xúc với mặt trước của dao

rất bóng, mặt đối diện có gợn sóng. Quá trình trượt dẻo không lớn, quá trình cắt

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

dễ dàng hơn. Khi gia công máy tự động người ta sử dụng cơ cấu bẻ phoi (chip
breaker) để tránh cho phoi dây cuốn vào ụ dao.
 Phoi xếp:
- Phoi thu được khi cắt vật liệu dẻo (thép, đồng thau) ở tốc độ cắt thấp,
chiều sâu cắt lớn. Phoi kéo dài từng đoạn ngắn. Mặt phoi tiếp xúc với mặt trước
của dao rất bóng, mặt kia có dạng răng cưa. Mức độ trượt dẻo thể hiện rất rỏ.
- Phoi xếp chịu biến dạng rất lớn. Độ cứng của phoi thu được tăng 2-3 lần
vật liệu gia công.

Phoi dây

Phoi xếp

Phoi vụn

Hình 1.4. Các loại phoi
 Phoi vụn:
- Khi gia công vật liệu giòn (gang, đồng thau cứng, . . .) ta thường thu được

loại phoi này. Phoi bị tách ra chủ yếu do ứng suất kéo, không phải do quá trình
trượt dẻo vì vật liệu giòn chịu kéo kém nên ứng suất kéo sinh ra đã phá hủy kim
loại trước khi xảy ra trượt dẻo.
- Độ bóng bề mặt đạt được khi cắt phoi vụn không cao do bề mặt gia công
có cấu tạo giống như bị phá hủy mòn.

1.2.3. Hệ số co rút phoi:
- Tỷ lệ giữa chiều dày phoi ban đầu chưa bị biến dạng t0 (chiều sâu cắt)
với chiều dày phoi được tạo thành, gọi là hệ số cắt (r)

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

- r

t0
tc

- t0 ≠ tc
- Vì chiều dày phoi sau khi cắt luôn lớn hơn chiều dày phoi tương ứng ban
đầu, nên tỷ lệ này luôn nhỏ hơn 1
- Mô hình hình học của cắt trực giao cũng cho phép chúng ta thiếp lập một
mối quan hệ quan trọng giữa hệ số cắt, góc trước và góc trượt.

r

t0
AB.sin 
sin 


t c AB. cos(   ) cos(   )

- Hệ số co rút phoi là nghịch đảo của hệ số cắt

K

1 cos(   )

r
sin 

- Như vậy góc trượt  có thể được tính như sau:

tan  

r. cos 
1  r. sin 

Tính toán hệ số co rút phoi:
- Mặc dù hệ số co rút phoi K chưa phản ánh đầy đủ quá trình biến dạng
dẻo trong miền tạo phoi nhưng qua nghiên cứu xem xét dạng phoi ta có thể đánh
giá được mức độ biến dạng dẻo và công tiêu hao.

- Có hai phương pháp xác định hệ số co rút phoi:
+ Đo trực tiếp: việc xác định chính xác chiều phoi khó khăn => kết quả
không chính xác.
+ Theo trọng lượng: Dễ dàng và chính xác hơn.
Cách tính như sau:

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

Diện tích tiết diện ngang của phoi:

Fp 
Trong đó:

1000.Q p

 .l p
Qp: khối lượng phoi (g)
lp: chiều dài phoi (mm)
: khối lượng riêng vật liệu phoi (g/cm3)

Ta có:

Fp.lp = l.s.t
=> K 



l Fp

l p s.t
1000.Q p

 .l p .s.t

1.2.4. Hệ số trượt dẻo:
- Hệ số trượt dẻo là đại lượng đặc trưng cho mức độ trượt dẻo của kim
loại. Sự trượt dẻo xảy ra dọc theo bề mặt trượt và được xác định như sau:

 
=>

AB AO OB


OC OC OC

  cot( )  tan(   )

- Với  = 0 ta có:




1.0

5.84

2.0

3.12

3.0

2.3

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

Hình 1.5. Biến dạng trượt được xấp xỉ bởi một loạt những tấm mỏng song song
trượt lên nhau để tạo thành phoi
- Từ thực nghiệm quan hệ giữa vận tốc cắt và góc trượt  ta có kết luận
như sau: khi tăng vận tốc cắt, góc trượt tăng, miền tạo phoi thu hẹp lại, hệ số
trượt  giảm, mức độ biến dạng dẻo giảm, công chi phí cho quá trình tạo phoi
thấp. Như vậy ta nên cắt vật liệu ở tốc độ cao (theo quan điểm này)
1.3. MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC VÀ PHƯƠNG TRÌNH MERCHANT:

1.3.1. Lực trong cắt kim loại:
- Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt chịu tác động của các lực. Các lực này
tác dụng lên phoi và dụng cụ.
- Trong suốt quá trình cắt trực giao các lực tác dụng lên phoi và dụng cụ
cắt được biểu diễn như sau:

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


LUẬN VĂN THẠC SĨ
19
GVHD:PGS-TS Trần Doãn Sơn
**************************************************************************************

Hình 1.6. Các lực tác dụng lên phoi và dụng cụ cắt
1. Lực ma sát F: sinh ra giữa dụng cụ và phoi, chống lại luồng phoi dọc
theo bề mặt trước của dụng cụ
2. Phản lực ma sát N: vuông góc với lực ma sát.
Hai thành phần này có thể được dùng để xác định hệ số ma sát giữa dụng
cụ và phoi.



F
N

Mặt khác với  là góc ma sát (góc định hướng lực tổng R), ta có:

  tan  .
3. Lực trượt Fs: lực này gây ra biến dạng trượt xảy ra trên bề mặt trượt
4. Lực vuông góc với lực trượt Fn:
Dựa vào lực trượt, chúng ta có thể xác định ứng suất trượt xảy ra dọc bề
mặt trượt và phoi:



Fs
As

Với As là diện tích bề mặt trượt, được xác định: As 

(1.1)

t 0 .w
sin 

(1.2)

t0, w được biểu diễn ở hình dưới

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


LUẬN VĂN THẠC SĨ
20

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

Về cơ bản, ứng suất trượt tương đương với sức bền trượt của vật liệu (shear
strength) tại thời điểm xảy ra quá trình cắt
 Chú ý: Bốn lực này không thể đo trực tiếp trong quá trình cắt.
5. Lực cắt Fc: thực hiện công việc cắt gọt, cùng hướng với vận tốc cắt v
6. Lực đẩy Ft: đẩy dụng cụ cắt ra khỏi phôi, vuông góc với vận tốc cắt v
 Chú ý: Hai lực này có thể đo được trong quá trình cắt bởi dụng cụ đo
lực (lực kế)
- Để liên kết bốn thành phần lực không đo được với hai thành phần lực đo
được chúng ta có phương trình được xây dựng dựa trên biểu đồ sau:

Hình 1.7. Vòng tròn Merchant

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

- Theo mối quan hệ lượng giác ta có:

F  Fc . sin   Ft . cos 
N  Fc . cos   Ft . sin 
Fs  Fc . cos   Ft .sin 

(1.3)

Fn  Fc .sin   Ft . cos 
- Như vậy nếu lực cắt và lực đẩy được xác định, chúng ta có thể tính được
lực trượt, lực ma sát, và phản lực của lực ma sát. Từ đó ứng suất trượt và hệ số
ma sát được xác định dễ dàng.
- Dựa vào hình vẽ trên và các công thức liện quan, ta có một vài mối quan
hệ toán học như sau:
2
2
+ R  Fc  Ft

+ F  R. sin 
+ N  R. cos 
+ 

Ft  Fc . tan 
Fc  Ft . tan 

+ Ft  R. sin(    )
+ FC  R. cos(    )
+ Ft  Fc . tan(    )
- Chúng ta có thể đo lực trong quá trình cắt bởi thiết bị đo lực phù hợp
(dụng cụ dùng sức căng của dây trở kháng) hay bộ chuyển đổi lực (tinh thể áp
điện piezoelectric crystals) được gắn trên máy công cụ.

Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện:
Khi tiện có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt như: vật liệu gia công,
vật liệu dao, thông số hình học của dao, dung dịch trơn nguội và chế độ cắt (s, t,

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

v), . . . Trong đó ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt thì rất được quan tâm. Vì
vậy ở đây xin trình bày ảnh hưởng của chế độ cắt (s, t, v) đến lực cắt mà thôi.
 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt:
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt, người ta thấy rằng
vận tốc cắt ảnh hưởng đến lực cắt vì vận tốc cắt có ảnh hưởng lớn đến miền tạo
phoi và cường độ biến dạng, ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ của vật liệu biến dạng,
ảnh hưởng đến độ lớn hệ số ma sát trên các mặt của dao và sự xuất hiện của lẹo
dao.
- Nghiên cứu của Zorev, Rokenberg đã chỉ ra rằng tốc độ cắt, đặc biệt là
tốc độ cắt thấp có ảnh hưởng rỏ nét nhất đến lực cắt. Nhưng khi cắt với tốc độ
cao (khoảng 80 m/phút trở lên) thì lực cắt ít thay đổi và có chiều hướng giảm.
Đây chính là vùng vận tốc thường dùng trên máy CNC.
 Ảnh hưởng của bước tiến dao và chiều sâu cắt đến lực cắt:
- Nghiên cứu mối quan hệ giữa lực cắt P với diện tích lớp cắt F, các nhà
khoa học trên thế giới đã chỉ ra rằng: khi tăng diện tích lớp cắt F đồng nghóa với
việc tăng năng suất tạo phoi, như thế lực cắt sẽ tăng theo. Ta biết rằng đối với
phương pháp tiện thì diện lớp cắt được xác định bởi công thức tổng quát sau:
F=s.t. Như vậy, có thể khả định rằng khi tăng chiều sâu cắt và bước tiến dao thì
lực cắt sẽ tăng lên.

- Qua thực nghiệm, các nhà khoa học đã tìm ra mô hình toán học miêu tả
mối quan hệ giữa lực cắt (lực hướng trục Px, lực hướng kính Py, lực cắt chính Pz)
với các thông số công nghệ như sau:
P = f(v,s,t)
Hay P = CP. va.sb.tc

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005


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

1.3.2. Phương trình Merchant:
- Một mối quan hệ quan trọng trong cắt gọt kim loại đã được phát hiện bởi
Eugene Merchant. Phát hiện này dựa trên phương trình của cắt trực giao nhưng
giá trị của nó vẫn đúng khi gia công 3 chiều
- Dựa vào phương trình (1.1), (1.2), (1.3) ta có:

 

Fc . cos   Ft . sin 
(t0 .w / sin  )

(1.4)

- Theo Merchant, trong tất cả các góc  thì chỉ có duy nhất một góc mà tại

đó ứng suất trượt  bằng với sức bền trượt (sức bền cắt) của vật liệu S và cũng
tại góc này biến dạng trượt mới xảy ra để hình thành phoi, còn tại các góc khác
thì  < S và không xảy ra biến dạng trượt. Điều này cũng có nghóa là vật liệu gia
công 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 (1.4) từ 0 đến . Ta được phương trình Merchant:

  45 

 

2 2

Có thể rút ra hai kết luận từ mối quan hệ này như sau:
- Khi tăng góc trước sẽ làm cho góc trượt tăng lên
- Khi giảm góc ma sát (hay giảm hệ số ma sát) sẽ làm cho góc trượt
tăng lên
=> Góc trượt tăng lên thì lực cắt và năng lượng cần thiết cũng giảm theo.
1.4. CÔNG SUẤT:

- Sản phẩm của lực cắt và tốc độ cắt đó là công suất (năng lượng trên một
đơn vị thời gian) cần để thực quá trình cắt gọt.

P  Fc .v
Trong đó:

P: công suất cắt gọt (N-m/s hay W hay ft-lb/min)

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)

Lớp:CTM K2005


LUẬN VĂN THẠC SĨ
24
GVHD:PGS-TS Trần Doãn Sơn
**************************************************************************************

Fc: lực cắt (N hay lb)
V: vận tốc cắt (m/s hay ft/min)
- Có thể đánh giá công suất theo mã lực (hp)

hpc 
hoặc hpc 

Fc .v
(theo đơn vị Mỹ)
33000
Fc .v
736

(theo đơn vị VN)

- Mã lực tổng hợp (của động cơ máy):

hp g 
Trong đó:

hpc
E

hpc: mã lực cắt gọt (hp)
hpg: mã lực tổng hợp (hp)
E: hiệu suất (%). Thường có giá trị khoảng 90% và luôn < 1

- Người ta thường chuyển công suất sang công suất trên 1 đơn vị thể tích
vật liệu bị cắt gọt hay còn gọi là mã lực đơn vị.

hpu 
Trong đó:

hpc
MRR
hpc: mã lực cắt gọt (hp)
hpu: mã lực đơn vị. hp/(in3/min) hay hp/(mm3/ph)
MRR: thể tích vật liệu cắt gọt trong 1 phút (in3/min hay

mm3/ph)
(MRR = v.t0.w)
1.5. 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; trên 10000F (5400C) là bình thường.
Phần năng lượng còn lại (khoảng 2%) được dùng cho biến dạng dẻo trong phoi.

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005

LUẬN VĂN THẠC SĨ
25
GVHD:PGS-TS Trần Doãn Sơn
**************************************************************************************

- Có rất nhiều phương pháp phân tích để tính toán 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 thông 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 cắt và phoi trong suốt quá trình gia coâng.

U  v.t 0 
T  0,4.
.

C  K 
Trong đó:

0.333

T: nhiệt độ tại bề mặt giữa dao cắt và phoi (0F hay 0C)
U: năng lượng riêng (in-lb/in3 hay N-m/mm3)
v: vận tốc cắt (in/sec hay m/s)
t0: chiều dày phoi trước khi cắt gọt (in hay m)
C: tỷ nhiệt thể tích của vật liệu (in-lb/in3-0F hay J/mm3-0C)
K: khuyếch tán nhiệt của vật liệu (in2/sec hay m2/s)

Hình 1.8. Sự phân bố nhiệt độ ở dao và phoi

**************************************************************************************
HVTH:Phạm Tài Thắng (MSHV:00405071)
Lớp:CTM K2005