ảnh hưởng của bôi trơn làm nguội tối thiểu tới mòn dao và độ nhám bề mặt chi tiết khi phay phẳng thép 65γ đã tôi bằng dao phay mặt đầu cácbít

Luận văn thạc sĩ

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP
ĐỖ NHƯ HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI
THIỂU TỚI MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI
TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP 65Γ ĐÃ TÔI BẰNG
DAO PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT

THÁI NGUN - 2009

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




Luận văn thạc sĩ

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI
THIỂU TỚI MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI
TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP 65Γ ĐÃ TÔI BẰNG
DAO PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT

Học viên

: Đỗ Như Hồng

Người hướng dẫn khoa học : TS. Trần Minh Đức

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

THÁI NGUYÊN - 2009




Luận văn thạc sĩ
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

3

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NGHIỆP

--------------o0o--------------

***

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:

ẢNH HƯỞNG CỦA BƠI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI
THIỂU TỚI MỊN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI
TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP 65Γ ĐÃ TƠI BẰNG
DAO PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT

Học viên: Đỗ Như Hồng
Lớp: CHK9
Chun ngành: Cơng Nghệ Chế Tạo Máy
Người HD khoa học: TS. Trần Minh Đức

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

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

TS. Nguyễn Văn Hùng

TS. Trần Minh Đức

HỌC VIÊN


Đỗ Như Hoàng


4

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

6

LỜI NÓI ĐẦU

8

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT VÀ BÔI TRƠN

12

LÀM NGUỘI KHI PHAY
1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI

12

1.1.1 Khái niệm và phân loại phoi

12

1.1.2 Sự co rút phoi

13

1.2 LỰC CẮT GỌT

14

1.2.1 Cơ sở lý thuyết của lực cắt gọt

14

1.2.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt

16

1.3 HIỆN TƯỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT

17

1.3.1 Nhiệt cắt

17

1.3.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt

19

1.4 SỰ MÀI MÒN DAO

19

1.4.1 Biểu hiện ngồi của sự mài mịn dao

19

1.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao

21

1.4.3 Quy luật mòn của dụng cụ cắt

23

1.5 GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY

24

1.5.1 Khái niệm chung

24

1.5.2 Phân loại dao phay

25

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




Luận văn thạc sĩ

5

1.5.3 Vật liệu chế tạo dao phay

26

1.5.4 Các thơng số hình học của dao phay

27

1.5.5 Các yếu tố của lớp cắt

28

1.5.6 Lực cắt khi phay

30

1.5.7 Độ mòn và tuổi bền của dao phay

31

1.6 BÔI TRƠN LÀM NGUỘI KHI PHAY MẶT PHẲNG

32

1.6.1 Các phương pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt

32

1.6.2 Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu

33

1.7 KHÁI QT TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ MQL TRONG GIA

34

CƠNG CẮT GỌT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Chương 2. ẢNH HƯỞNG CỦA MQL ĐẾN MÒN DAO VÀ ĐỘ

37

NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY THÉP ĐÃ TƠI BẰNG DAO
PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT
2.1 BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU (MQL)

37

2.1.1 Khái niệm về MQL

37

2.1.2 Các loại dung dịch bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt

37

2.1.3 Cách dẫn dung dịch vào vùng cắt trong MQL

42

2.1.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ MQL đến q trình gia

44

cơng
2.2 PHAY CỨNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MQL

47

VÀO PHAY CỨNG

2.3 GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

49

Chương 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MQL ĐẾN MÒN

51

DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP
65Γ ĐÃ TÔI BẰNG DAO PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT
3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
3.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

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

51
51




Luận văn thạc sĩ

6

3.1.2 Hệ thống thực nghiệm

52

3.1.3 Thiết bị thí nghiệm

53

3.2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

53

3.2.1 Mịn và cơ chế mòn của dao

54

3.2.2 Độ nhám bề mặt chi tiết

59

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

60

Chương 4. PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP

61

THEO
4.1 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN

61

4.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

62

TÀI LIỆU THAM KHẢO

63

PHỤ LỤC

65

Phụ lục 1. CÁC ẢNH CHỤP MỊN DAO

65

Phụ lục 2. SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM

71

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




Luận văn thạc sĩ

7

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 vịng quay của trục chính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




8

Luận văn thạc sĩ
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 q trình cắt
δ0: độ mịn 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 vịng
[u]: lượng mịn mặt sau cho phép
Ra: độ nhấp nhơ bề mặt trung bình
MQL (Minimum Quantity Lubrication): Bơi trơn tối thiểu

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




9

Luận văn thạc sĩ
Bảng 1: Số liệu độ nhám Ra, Rz

71

Bảng 2: Số liệu độ mòn mặt sau dao

72

Bảng 3: Tuổi thọ dao ứng với độ mòn mặt sau cho phép [u] = 0,52

72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1:

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

12

Hình 1.2:

Các loại phoi

13

Hình 1.3:

Sơ đồ co rút phoi

14

Hình 1.4:

Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi

15

Hình 1.5:

Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do

15

Hình 1.6:

Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt

18

Hình 1.7:

Các dạng mịn của dụng cụ cắt

20

Hình 1.8:

Mịn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt

20

Hình 1.9:

Quy luật mịn của dụng cụ cắt

23

Hình 1.10:

Các loại dao phay

25

Hình 1.11:

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

27

Hình 1.12:

Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay

28

Hình 1.13:

Sơ đồ tính góc tiếp xúc

29

Hình 1.14:

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

30

dao phay khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt
Hình 1.15:

Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay

30

Hình 1.16:

Các dạng mài mịn của răng dao phay

31

Hình 2.1:

Các phần tử hịa tan trong nước

40

Hình 2.2:

Các phần tử tích tụ khối và các phần tử hịa tan trong nước

40

Hình 2.3:

Các phần tử hịa tan dưới dạng thể sữa

41

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




Luận văn thạc sĩ

10

Hình 2.4:

Các phần tử hịa tan trong hợp chất hóa học

41

Hình 2.5:

Các phần tử hịa tan trong hợp chất dầu

42

Hình 2.6:

Dẫn dung dịch trực tiếp vào vùng cắt từ hai mặt bên của

42

dao
Hình 2.7:

Dẫn dung dịch trực tiếp vào vùng cắt từ mặt trước và mặt

43

sau dao phay
Hình 2.8:

Dẫn dung dịch vào tất cả các lưỡi cắt

43

Hình 3.1:

Sơ đồ nguyên lý phun MQL dạng sương mù

51

Hình 3.2:

Ảnh hệ thống thực nghiệm

52

Hình 3.3

Ảnh so sánh mịn mặt trước dao

55

Hình 3.4

Ảnh so sánh mịn mặt sau dao

57

Hình 3.5:

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

58

Hình 3.6:

Biểu đồ so sánh tuổi bền của dao theo lượng mịn cho

59

phép
Hình 3.7:

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

59

Hình 1:

Ảnh chụp TM-1000 mặt trước dao khi gia cơng khơ

65

Hình 2:

Ảnh chụp TM-1000 m trước dao khi gia cơng MQLặt

66

emunxi
Hình 3:

Ảnh chụp TM-1000 mặt trước dao khi gia cơng MQL-dầu

67

lạc
Hình 4:

Ảnh chụp TM-1000 mặt sau dao khi gia cơng khơ

68

Hình 5:

Ảnh chụp TM-1000 m sau dao khi gia cơng MQLặt

69

emunxi
Hình 6:

Ảnh chụp TM-1000 mặt sau dao khi gia cơng MQL-dầu

70

lạc

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




11

Luận văn thạc sĩ

LỜI NĨI ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng
rãi trong gia công cắt gọt do dung dịch trơn nguội n âng cao được hiệu quả của
của q trình gia cơng bởi chức năng bôi trơn, làm mát và làm đẩy phoi ra khỏi

vùng gia cơng của nó. Phương pháp này vẫn đang được các nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu với các hướng chủ yếu: nâng cao hiệu quả của bôi trơn làm
nguội, tiết kiệm dung dịch trơn nguội. Tìm các chất phụ gia nhằm nâng cao hoạt
tính của dung dịch trơn nguội. Nghiên cứu các loại dung dịch trơn nguội mới ít
độc hại, thân thiện với môi trường....
Bôi trơn làm ngu kiểu tưới tràn rất khó giải quyết được vấn đề về sức
ội
khỏe người thợ và ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, giá thành liên quan đến việc sử
dụng dung dịch trơn nguội ngày càng cao do luật môi trường ngày càng khắt khe
được áp dụng. Điều này đã đặt ra việc tìm tịi các giải pháp thay thế nhằm giảm
thiểu, thậm chí là tránh sử dụng dung dịch trơn nguội trong q trình gia cơng.
Một trong những giải pháp thay thế là gia công khô và gia công với MQL.
Gia công khô là mối quan tâm lớn và trên thực tế một số nhà nghiên cứu
đã thành công trong lĩnh vực sản xuất thân thiện với môi trường. Tuy nhiên trong
thực tế, các nghiên cứu đó ít có tác dụng khi mà hiệu suất gia công cao hơn, chất
lượng bề mặt tinh tốt hơn, các điều kiện cắt khắt khe hơn đặt ra. Trong tình
huống đó, gia cơng với MQL sử dụng lượng rất nhỏ dung dịch trơn nguội được
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Luận văn thạc sĩ

12

mong đợi trở thành công cụ mạnh và trên thực tiễn chúng giữ vai trò quan trọng
trong nhiều ứng dụng.
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 ngu tối

ội
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 cơng tốc độ cao....
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 AISI-4340 [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 cơng của MQL trong gia công cắt
gọt và ứng dụng MQL vào 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

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

Luận văn thạc sĩ

13

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 thép đã tơi bằng dao phay mặt
đầu cácbít chưa được nghiên cứu. Trong khi đó nhu cầu phay thép đã tôi ngày
càng tăng để tránh hoặc giảm bớt được ngun cơng mài. Chính vì vậy tác giả đã
chọn đề tài “ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU TỚI MÒN DAO
VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP 65 Γ ĐÃ TÔI BẰNG DAO
PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT”.

2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích của đề tài là nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MQL vào phay
cứng bằng dao phay mặt đầu trong điều kiện cụ thể của nước ta.
Đối tượng nghiên cứu là mòn và cơ chế mòn dao, độ nhám bề mặt chi tiết
khi phay mặt phẳng thép đã tơi bằng dao phay mặt đầu cácbít khi gia cơng khơ và
gia cơng MQL từ đó so sánh được hiệu quả của phương pháp gia công MQL so
với gia công khô trong phay cứng.
Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Nghiên cứu mòn và cơ chế mòn dao khi phay phẳng thép đã tơi bằng dao
phay mặt đầu cácbít dưới các điều kiện cắt khô và MQL.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của loại dung dịch trơn nguội đến mòn và độ
nhám bề mặt chi tiết khi phay phẳng thép đã tôi bằng dao phay mặt đầu sử dụng
công nghệ MQL.
- So sánh tuổi bền của dao khi phay phẳng thép đã tơi bằng dao phay mặt
đầu cácbít dưới các điều kiện cắt khô và MQL.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của MQL đến độ nhám bề mặt chi tiết khi phay
phẳng thép đã tơi bằng dao phay mặt đầu cácbít.

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




Luận văn thạc sĩ

14

3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Kết quả của đề tài sẽ làm rõ ảnh hưởng của MQL trong phay cứng mặt
phẳng bằng dao phay mặt đầu so với gia công khô về độ nhám bề mặt chi tiết và
mịn dao. Từ đó làm giàu thêm kiến thức và kinh nghiệm về bôi trơn làm ngu
ội
trong gia công cắt gọt.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Kết quả thực nghiệm của đề tài hồn tồn có thể triển khai vào sản xuất
nhằm nâng cao hiệu quả của q trình gia cơng chế tạo chi tiết máy và sản xuất
thân thiện với môi trường.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Với mục đích nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ MQL vào phay cứng, tác
giả chọn phương pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu
thực nghiệm trong đó nghiên cứu thực nghiệm là cơ bản. Nghiên cứu lý thuyết
tổng quan các vấn đề liên quan đến gia công khô và gia công MQL trong phay
cứng từ đó định hướng cho nghiên cứu về mịn, cơ chế mòn dao và độ nhám bề
mặt chi tiết khi phay cứng. Nghiên cứu thực nghiệm để xác định được bản chất

mòn, cơ chế mòn và độ nhám bề mặt chi tiết t ừ đó so sánh được hiệu quả gia
cơng MQL so với gia công khô.
Thái nguyên, ngày

tháng

năm 2009

Người thực hiện
Đỗ Như Hồng

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




15

Luận văn thạc sĩ

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT VÀ BƠI TRƠN LÀM NGUỘI
KHI PHAY
1.1 Q TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI
1.1.1 Khái niệm và phân loại phoi
Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình
1a), sau đó bị biến dạng dẻo, q 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 1.1b). Hiện
tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1 ÷ 5 (hình 1.1c).

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




16

Luận văn thạc sĩ
a)

b)
P

β

a

1
2

δ

a

ψ

C

P

B

c)
2

C

ψ

1

3

β1

a

P
δ

4
5

B

Hình 1.1. 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 β1 gọi là góc trượt, cịn mặt phẳng BC gọi là mặt phẳng
trượt.

Q 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 1.2 là các loại phoi được hình thành trong q trình gia cơng các loại
vật liệu khác nhau.
Phoi dây (hình 1.2a) 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 1.2b) được hình thành khi gia cơng các vật liệu dẻo với
chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước γ nhỏ [7].
Phoi vụn (hình 1.2c) 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 cơng các vật liệu giịn (gang) với chiều sâu cắt và góc trước γ lớn
thì phoi vụn (hình 1.2d) có hình dạng khơng giống nhau được hình thành.

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




17

Luận văn thạc sĩ

b)

a)

a

a

P

C

P
B

d)
C

P

a

a

c)

C

P

B

B

Hình 1.2. Các loại phoi
1.1.2 Sự co rút phoi
Biến dạng dẻo khi cắt kim loại được thể hiện ở chỗ chiều dày phoi a1 lớn
hơn chiều dày cắt a (hình 1.3). Nhưng trong trường hợp này có sự thay đổi về

hình dáng, cịn 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 a1
= >1
L
a

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

L

a

L

a1

L0
Hình 1.3. Sơ đồ co rút phoi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




18

Luận văn thạc sĩ

l

β1

γ

l0

Hình 1.4. Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi
Khi xét một phần tử phoi (hình 1.4), hệ số co rút phoi sẽ bằng:
l0 sin(90 0 − β1 + γ ) cos( β1 − γ )
K= =
=
l
sin β1
sin β1

Trong thực tế, K = 1,5 ÷ 4.
Sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm sự co rút của phoi [7].
1.2 LỰC CẮT GỌT
1.2.1. 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 phơi và lưỡi cắt. Hình 1.5a là sơ đồ lực tác động lên phơi khi cắt tự do.
R1

b) N'

γ

v

F0
R1

R

N

α

F0'

R0

R1

c)

R0

N'

F'
0

δ

a)

d)
L0

y
Py

R
Pz

z

Hình 1.5. Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do

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




19

Luận văn thạc sĩ

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
mịn ở mặt sau của dao, cho nên ta có thể tính lực như trên hình 1.5b, 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 ngồi phải có một lực tác dụng

lên dao R = R0 + R1 (hình 1.5c).
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 Py 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 cơng thức gần đúng sau đây:
N = σ 0 tSK m

Ở đây:
σ0: giới hạn chảy của vật liệu gia công khi bị nén (kG/mm2);
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 cơng).
Ngồi hai thành phần lực Pz và Py cịn có thêm thành phần lực Px (lực tác
dụng theo phương trục chi tiết).

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




20

Luận văn thạc sĩ

Tương quan của các thành phần lực này trong điều kiện gia cơng bình

thường có thể được tính như sau [7]:
Px = (0,2 ÷ 0,3)Pz
Py = (0,3 ÷ 0,4)Pz
1.2.2. Ảnh hưởng 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 cơng 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 cơng 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 cơng khơng 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,
ngồi ra độ chính xác và độ nhám bề mặt cũng được cải thiện đáng kể [7].

1.3 HIỆN TƯỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT
1.3.1 Nhiệt cắt
Hiện tượng nhiệt trong q trình cắt đóng vai trị rất quan trọng, bởi vì nó
ảnh hưởng đến q trình tạo phoi, lẹo dao, co rút phoi, lực cắt và cấu trúc lớp bề
mặt. Ngồi ra, nhiệt cắt cịn ảnh hưởng rất lớn đến cường độ mịn và tuổi bền dao
[7].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21

Luận văn thạc sĩ

Sự tỏa nhiệt khi cắt là do một cơng A (kGm) sinh ra trong q trình hớt
phoi. Công A được xác định theo công thức:
A = A 1 + 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, cơng A được tính theo cơng 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 cơng 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
cơng 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);
VF =

V
: tốc độ chuyển động của phoi ở mặt trước của dao
K

(m/phút);
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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




22

Luận văn thạc sĩ

Thực tế cho thấy, phần lớn công cắt gọt A (hơn 99,5%) sinh ra nhiệt cắt.
Vì vậy, lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình cắt là [7]:
Q=

P .V
A
= z
427 427

Nhiệt cắt Q được tính bằng kcal/phút.
Nhiệt trong q trình cắt lan tỏa từ điểm có nhiệt độ cao nhất đến điểm có
nhiệt độ thấp nhất. Nhiệt trong quá trình cắt chủ yếu tập trung ở phoi và một

phần ở dụng cụ. Nhiệt do ma sát ở mặt trước và mặt sau sẽ tập trung ở mặt trước
III và mặt sau IV, ở phoi II và chi tiết gia cơng I (hình 1.6). Có một phần nhỏ
nhiệt tỏa ra vào mơi trường xung quanh.
Đường đẳng nhiệt

a

Vùng trượt

II

III
IV

I

Hình 1.6. Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt
Khi biết lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt lan tỏa giữa phoi, chi tiết
gia cơng và dụng cụ, có thể viết phương trình nhiệt như sau:
Q = Q 1 + Q2 + Q3 = Qp + Qd + Qc + Q m
Ở đây:
Q1, Q2, Q3: nhiệt ứng với các công ở công thức 1;
Qp, Qd, Qc, Qm: nhiệt ở phoi, ở dụng cụ, ở chi tiết và ở môi trường
xung quanh.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi gia công với tốc độ cắt
khơng lớn (30 ÷ 40 m/phút) tỉ lệ nhiệt như sau: Qp ≈ 60 ÷ 70%; Qd ≈ 3%; Qc ≈
30 ÷ 40%; Qm ≈ 1 ÷ 2%. Khi tốc độ cắt tăng, tỉ lệ nhiệt vào phoi tăng. Ví dụ, khi

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

Luận văn thạc sĩ

23

tốc độ cắt V = 400 ÷ 500 m/phút, nhiệt vào phoi Qp ≈ 97 ÷ 98%; Qd ≈ 1%. Thực
nghiệm cũng đã khẳng định rằng tính dẫn nhiệt của chi tiết gia cơng 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
khoảng 5400C, còn trên khoảng cách 0,2 mm của mặt trước nhiệt độ khoảng
4500C. Khi tốc độ cắt là V = 200 m/phút nhiệt độ ở các nơi tương ứng là 12650C
và 4000C [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 cơng các vật liệu thơng thường khác.
Khi nói về nhiệt độ cắt, cần nhớ rằng nó có giá trị khơng 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. Ngồi 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].
1.3.2 Ảnh hưởng 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].
1.4 SỰ MÀI MÒN DAO
1.4.1 Biểu hiện ngồi của sự mài mịn dao
Do áp lực, nhiệt độ và tốc độ cắt, các bề mặt tiếp xúc của dao trong q
trình sử dụng bị mài mịn. 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 mịn này đều tồn tại khi gia cơng với mọi chế độ cắt được dùng trong sản

xuất.
Khi mòn theo dạng thứ nhất (hình 1.7a) ở mặt sau của dao tạo thành tiết
diện mịn có bề rộng là δ. Dọc theo lưỡi cắt chính bề rộng của tiết diện mịn nhìn
chung rất nhỏ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




24

Luận văn thạc sĩ

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 1.8a). Trong
một số trường hợp ở điểm của lưỡi cắt chính tương ứng với bề mặt gia cơng tồn
tại mịn cục bộ có hình dạng như cái lưỡi (hình 1.8b).
a)

c)

b)
f

l

δ

δ1

δ1

δ

δ

l

Hình 1.7. Các dạng mịn của dụng cụ cắt

a)

b)

Hình 1.8. Mịn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt
Khi mịn theo dạng thứ hai thì ngồi mặt sau bị mịn, mặt trước cũng bị
mịn (hình 1.7b). Mịn 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
1.7b). Cạnh ngồi của vết lõm nằm gần song song với lưỡi cắt chính, cịn 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 ngồi 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 cơng

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

Luận văn thạc sĩ

25

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 1.7c).
Dạng mịn 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 cơng các vật liệu giịn (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 mịn 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 mịn nhanh hơn mặt sau [7].
Góc trước γ và dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng khơng đáng kể đến
dạng mòn của dao [7].
1.4.2 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 mịn 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 mịn dụng cụ. Theo
các giả thuyết này thì các ngun nhân chính gây ra mòn các bề mặt tiếp xúc của
dụng cụ là:
a) Tác động hạt mài do vật liệu gia công gây ra (gọi là mòn hạt mài).
b) Tác động qua lại của giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia cơng (mịn
tiếp xúc).
c) Sự khuyếch tán của vật liệu dụng cụ vào vật liệu gia cơng (mịn

khuyếch tán).

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