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

Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

1

Luận văn thạc sĩ

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

3

DANH MỤC CÁC BẢNG

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

5

PHẦN MỞ ĐẦU

8

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN

11

1. Tổng quan về công nghệ bôi trơn truyền thống

11

2. Tổng quan về công nghệ bôi trơn tối thiểu

11

Chương 2
NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY

14

2.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI

14

2.1.1 Khái niệm và phân loại phoi

14

2.1.2 Sự co rút phoi

15

2.2 LỰC CẮT GỌT

16

2.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt

16

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

18

2.3 HIỆN TƢỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT

18

2.3.1 Nhiệt cắt

18

2.3.2 Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt

21

2.4. SỰ MÀI MÒN DAO

21

2.4.1 Biểu hiện ngồi của sự mài mịn dao

21

2.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao

23

2.4.3 Quy luật mịn của dụng cụ cắt

25

2.5 GIA CƠNG CẮT GỌT KHI PHAY

26

2.5.1 Khái niệm chung

26

2.5.2 Phân loại dao phay

27

2.5.3 Vật liệu chế tạo dao phay

28

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




Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ

2

2.5.4 Các thơng số hình học của dao phay

28

2.5.5 Các yếu tố của lớp cắt

30

2.5.6 Lực cắt khi phay

32

2.5.7 Độ mòn và tuổi bền của dao phay

33

2.6 BÔI TRƠN LÀM NGUỘI KHI PHAY MẶT PHẲNG

34

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

34

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

35

đầu
1. Phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu

35

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

36

phay mặt đầu
Chương 3

37

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

37

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

37

3.1.2 Hệ thống thí nghiệm 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm

38

3.2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

38

3.2.1.Mục đích thí nghiệm

40

3.2.2.Trình tự tiến hành thí nghiệm

40

Chương 4

40

TỐI ƢU Q TRÌNH GIA CƠNG KHI PHAY MẶT PHẲNG LÀ
GANG CẦU

42

4.1. Mơ hình hố q trình cắt khi phay

42

4.2. Mơ hình hố tốn học tối ƣu hố q trình cắt khi phay

43

4.3. Giới hạn vấn đề tối ƣu

46

Chương 5

46

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

46

5.1. Mịn và cơ chế mòn dao

46

5.1.1. Mòn và cơ chế mòn mặt trƣớc dao

46

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




Trường ĐHKT Cơng Nghiệp Thái Ngun

3

Luận văn thạc sĩ

5.1.2. Mịn và cơ chế mòn mặt sau dao

49

5.1.3. Mòn và tuổi bền dao

52

5. 2. Độ nhám bề mặt chi tiết Ra

54

5. 3 . Kết luận

56

PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

57

I. KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN

57

II. HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

58

TÀI LIỆU THAM KHẢO

59

PHỤ LỤC

61

Phụ lục 1. CÁC ẢNH CHỤP MỊN DAO

61

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

67

DAO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
: góc tác động
1: góc trượt
: góc cắt
: 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

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

Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

4

Luận văn thạc sĩ

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
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
0: độ mịn dao
: thời gian làm việc của dao
: góc nghiêng chính của dao
: góc sau
: 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

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




Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ

5

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

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

67

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

67

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

67

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

68

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

68

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

68

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

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

14

Hình 2.2:

Các loại phoi

15

Hình 2.3:

Sơ đồ co rút phoi

16

Hình 2.4:

Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi

16

Hình 2.5:

Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do

17

Hình 2.6:

Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt

20

Hình 2.7:

Các dạng mịn của dụng cụ cắt

22

Hình 2.8:

Mịn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt

22

Hình 2.9:

Quy luật mịn của dụng cụ cắt

23

Hình 2.10:

Mịn do khuếch tán

24

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




Trường ĐHKT Cơng Nghiệp Thái Ngun

Luận văn thạc sĩ

6

Hình 2.11

Mịn do chảy dẻo

24

Hình 2.12:

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

25

Hình 2.13:

Các loại dao phay

27

Hình 2.14:

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

29

Hình 2.15:

Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay

30

Hình 2.16:

Sơ đồ tính góc tiếp xúc

31

Hình 2.17:

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

32

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

Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay

32

Hình 2.19:

Các dạng mài mịn của răng dao phay

33

Hình 3.1:

Sơ đồ ngun lý phun MQL dạng sương mù

37

Hình 3.2:

Ảnh hệ thống thí nghiệm

38

Hình 3.3:

Ảnh Máy đo nhám

39

Hình 3.4:

Ảnh Máy chụp ảnh SEM

40

Hình 4.1:

Mơ hình tối ưu hố q trình cắt khi phay

42

Hình 5.1:

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

47

Hình 5.2:

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

48

Hình 5.3:

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

49

Hình 5.4:

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

50

Hình 5.5:

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

51

Hình 5.6

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

52

Hình 5.7

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

53

lượt cắt
Hình 5.8:

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

53

lượt cắt
Hình 5.9:

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

54

lượt cắt
Hình 5.10:

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

55

Hình 5.11:

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

55

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




Trường ĐHKT Cơng Nghiệp Thái Ngun

7

Luận văn thạc sĩ

Hình 5.12:

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

55

Hình 5.13:

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

55

Hình 5.14:

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

56

Hình 5.15:

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

56

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




Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ

8

PHẦN MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời kỳ CNH và HĐH đất nước, ngành Cơ khí có vai trị rất lớn trong
việc chế tạo các sản phẩm công nghiệp. Để nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo
yêu cầu về tính cơng nghệ và kinh tế, đặc biệt là khi gia cơng các sản phẩm có độ
cứng cao, cấu trúc vật liệu phức tạp người ta đã ứng dụng rất nhiều phương pháp
công nghệ từ truyền thống đến không truyền thống.
Đóng vai trị rất quan trọng trong q trình gia cơng cắt gọt chi tiết chính là
bơi trơn - làm nguội vì bơi trơn - làm nguội có tác dụng làm giảm lực cắt, giảm
nhiệt cắt, giảm ma sát, mòn dao, giảm hệ số co rút phoi, đặc biệt làm tăng chất

lượng bề mặt gia công, nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế. Theo công nghệ
truyền thống, khi gia công vật liệu Gang, thông thường người ta không sử dụng bơi
trơn (gia cơng khơ) vì : Đặc điểm biến dạng phần lớn Gang kết cấu dạng ferit hoặc
peclit và từ 3- 5% graphit ở dạng bông hoặc tấm, hay graphit phiến hoặc dạng cầu.
Chính vì có graphit lên tính dẻo của gang giảm, làm phoi dễ gẫy và hoạt động như
một loại chất bôi trơn tự nhiên, lực cắt tương đối nhỏ và phoi vụn. Do vậy gang
được xếp vào nhóm vật liệu dễ gia cơng cắt gọt, tuy nhiên khi gia công cắt gọt Gang
thường gặp một số vấn đề như:
- Mòn dao do tạp chất cứng lẫn trong gang gây ra
- Có hiện tượng phoi chảy dẻo và dính bám lên mặt sau (Gang cầu)
- Lực cắt rất lớn, nhiệt độ cao, chất lượng gia công giảm (Gang cầu)
Để khắc phục các nhược điểm kể trên tác giả đề xuất ứng dụng công nghệ
bôi trơn tối thiểu khi gia công vật liệu Gang với chế độ cắt tối ưu được chọn trước
vì những ưu điểm nổi bật của công nghệ này như:
- Giảm lực cắt và mòn dao
- Nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt.
- Giảm chi phí dọn phế thải và làm sạch mơi trường.
- Khơng gian làm việc sạch, góp phần giảm ơ nhiễm mơi trường.

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




Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ

9

Trên thế giới công nghệ bôi trơn tối thiểu đã được áp dụng khá phổ biến tại
những nước có nền cơng nghiệp phát triển như: Anh, Đức, Mỹ, Hàn quốc…
Ở Việt Nam hiện nay những nghiên cứu và ứng dụng về bôi trơn tối thiểu
còn nhiều hạn chế. Do phương pháp này có nhiều ưu điểm, đặc biệt là thân thiện với
mơi trường nên rất cần có những nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào thực
tế sản xuất ở nước ta, vì vậy tác giả đề xuất chọn đề tài:
“Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cắt tối ưu khi phay mặt phẳng bằng dao phay
mặt đầu đối với gang cầu có bơi trơn tối thiểu”
2. Mục đích, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu.
2.1.Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu, đánh giá khả năng bôi trơn- làm nguội của cơng nghệ bơi trơn
tối thiểu qua đó chỉ ra tính ưu việt của phương pháp này.
- Nghiên cứu tìm được ra những ảnh hưởng của chế độ công nghệ bôi trơnlàm nguội tối thiểu bằng dầu thực vật đến mòn, tuổi bền của dao khi gia công gang
Cầu( bằng phương pháp phay bề mặt).
- Nghiên cứu đưa ra được chỉ dẫn cụ thể như: áp suất dịng khí, lưu lượng
tưới phù hợp khi gia công mặt phẳng gang Cầu bằng dao phay mặt đầu có gắn mảnh
hợp kim cứng.
- Nghiên cứu để lựa chọn được chế độ cắt tối ưu trong q trình gia cơng mặt
phẳng( Gang cầu)có bơi trơn(bơi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật).
2.2. Đối tượng nghiên cứu
- Dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC (BK8)
- Gang cầu có độ cứng từ 170-220HB (Bàn Máp 2 rãnh)
- Chế độ bôi trơn tối thiểu bằng dầu thực vật( áp suất dịng khí ).
- Chế độ cắt (lựa chọn bộ thơng số S,V,t tối ưu) trong q trình gia công gang cầu
bằng dao phay mặt đầu gắn mảnh BK8.
- Các chỉ tiêu cơng nghệ trong q trình gia cơng: Cơ chế mòn và tuổi bền của dao.
2.3.Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm (chủ yếu là thực nghiệm).

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

Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

10

Luận văn thạc sĩ

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

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

Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ

11

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ BƠI TRƠN

1. Tổng quan về cơng nghệ bôi trơn truyền thống
- Bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn: là phương pháp được dùng phổ biến nhất
hiện nay, dung dịch trơn nguội được dẫn tự do vào vùng cắt thông qua hiện tượng
mao dẫn và các thiết bị cần thiết như bơm nước, sự chênh lệch độ cao, bình thơng
nhau... Ưu điểm của phương pháp tưới tràn là tải được nhiệt ra khỏi vùng cắt, hạn
chế được ảnh hưởng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt. Đảm bảo được nhiệt độ
trong môi trường thấp và ổn định. Giúp việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ
dàng. Giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, giữa phôi và mặt sau dụng cụ cắt. Nhược
điểm của phương pháp là gây ô nhiễm môi trường làm việc, đất đai và nguồn nước.
Tăng chi phí sản xuất, vận chuyển, bảo dưỡng và tái chế chất bôi trơn đặc biệt là chi
phí làm sạch trước khi đưa vào mơi trường. Tiêu tốn nhiều dung dịch trơn nguội.
Dung dịch khó xâm nhập vào vùng cắt.
- Theo c«ng nghệ truyền thống, khi gia c«ng vËt liƯu Gang, th«ng thường
người ta kh«ng s dng bôi trn (gia công khô) vì : Đặc điểm biến dạng phần lớn
Gang kết cấu dạng ferit hoặc peclit và từ 3- 5% graphit ở dạng bông hoặc tấm, hay
graphit phiến hoặc dạng cầu. Chính vì có graphit lên tính dẻo của gang giảm, làm
phoi dễ gẫy và hoạt động nh- một loại chất bôi trơn tự nhiên, lực cắt t-ơng đối nhỏ
và phoi vụn. Do vậy gang đ-ợc xếp vào nhóm vật liệu dễ gia công cắt gọt, tuy nhiên
khi gia công cắt gọt Gang th-ờng gặp một số vấn đề nh-:
- Mòn dao do tạp chất cứng lẫn trong gang gây ra
- Có hiện t-ợng phoi chảy dẻo và dính bám lên mặt sau (Gang cầu)

- Lực cắt rất lớn, nhiệt độ cao, chất l-ợng gia công giảm (Gang cầu)
2. Tng quan v cụng ngh bụi trơn tối thiểu

Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL): là phương pháp sử dụng dịng khí nén
có áp suất cao để phun dung dịch trơn nguội vào vùng cắt dưới dạng sương mù để
bôi trơn, làm nguội và đẩy phoi ra khỏi vùng gia công.
Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) cú những -u điểm nổi bật nh-:

S húa bi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

12

Luận văn thạc sĩ

- Giảm lc ct v mòn dao
- Nâng cao tui bn ca dụng cụ c¾t.
- Giảm chi phÝ dọn phế thải và là m sạch m«i trường.
- Kh«ng gian là m việc sạch, gãp phần giảm « nhiễm m«i trường.
Những năm 90 của thế kỷ XX, các nước công nghiệp phát triển CHLB Đức,
Thụy Điển... đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu
(MQL). Hướng nghiên cứu về MQL tập trung vào: tìm ra các loại dung dịch cắt gọt
mới đáp ứng được yêu cầu của MQL hoặc tìm các chất phụ gia làm tăng tính cắt của
dung dịch cắt gọt. Nghiên cứu xác định áp suất và lưu lượng tối ưu. Cải tiến kết cấu
của dụng cụ để thích hợp với MQL. Cải tiến kết cấu đầu phun và hệ thống bôi trơn.
Nghiên cứu ứng dụng MQL trong gia công cứng và gia công tốc độ cao... [3].

Trên thế giới có một số tài liệu đã công bố nghiên cứu về MQL như: các tác
giả Nikhil Ranjan Dhar, Sumaiya Islam, Mohamad Kamruzzaman nghiên cứu Ảnh
hưởng của MQL đến mòn dao, độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước khi tiện AISI4340 [14]. Tác giả Steven Y. Liang đã nghiên cứu MQL trong tiện cứng [15]. Tổng
công ty Master Chemical đã tổng kết các Ứng dụng của MQL trong công nghệ kim
loại [16]. Tác giả Jim Lorincz đã nêu Các giải pháp đúng đối với chất làm nguội
trong đó có nêu những thành cơng của MQL trong gia công cắt gọt và ứng dụng
MQL trong thiết kế máy công cụ [17].
Ở Việt Nam, công nghệ MQL mới chỉ mới tiếp cận vài năm gần đây. Hiện đã
có một số nghiên cứu áp dụng MQL trong gia công cắt gọt đã công bố như: tác giả
Trần Minh Đức đã Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu
trong gia công cắt gọt, tác giả đã xây dựng được hệ thống MQL đáp ứng yêu cầu
nghiên cứu và rất thuận lợi cho việc chuyển giao công nghệ MQL trong tiện cắt đứt,
phay rãnh bằng dao phay ngón, phay lăn răng, khoan [3]. Tác giả Phạm Quang
Đồng đã Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ bôi trơn - làm nguội
tối thiểu đến độ mòn dao và chất lượng bề mặt khi phay rãnh bằng dao phay ngón
[4]. Tác giả Nguyễn Đức Chính đã Nghiên cứu xác định áp lực và lưu lượng hợp lý
để thực hiện công nghệ bôi trơn làm nguội khi khoan [5]. Tác giả Lưu Trọng Đức

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




Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

13

Luận văn thạc sĩ

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 cơng cắt gọt thì
nghiên cứu ứng dụng MQL trong phay mặt phẳng gang cầu bằng dao phay mặt đầu
cácbít chưa được nghiên cứu. Trong khi đó nhu cầu phay gang (đặc biệt là gang
cầu) được đặt ra để tránh hoặc giảm bớt được ngun cơng mài. Chính vì vậy tác
giả đã đề xuất chọn đề tài:

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

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




Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ

14

Chương 2
NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY

2.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI
2.1.1 Khái niệm và phân loại phoi
Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 2.1a),
sau đó bị biến dạng dẻo, 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 2.1b). Hiện tượng tương tự

cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1  5 (hình 2.1c).
a)

b)
P



a

1
2



a



C

P

B

c)
2

C



3



P


4

a

1

5

B

Hình 2.1. Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo
Biến dạng dẻo xảy ra trong vùng được giới hạn bằng góc , góc này được
gọi là góc tác động. Góc  1 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  nhỏ.
Hình 2.2 là các loại phoi được hình thành trong q trình gia cơng các loại
vật liệu khác nhau.

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

Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ

15

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

a

P

a

a)

C

P

B

d)
C

P

a

a

c)

C

B

P
B

Hình 2.2. Các loại phoi
2.1.2 Sự co rút phoi
Biến dạng dẻo khi cắt kim loại được thể hiện ở chỗ chiều dày phoi a 1 lớn hơn
chiều dày cắt a (hình 2.3). Nhưng trong trường hợp này có sự thay đổi về hình dáng,
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

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




Trường ĐHKT Cơng Nghiệp Thái Ngun

Luận văn thạc sĩ

16

L

a

L

a1

L0
Hình 2.3. Sơ đồ co rút phoi

l





l0

Hình 2.4. Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi
Khi xét một phần tử phoi (hình 2.4), hệ số co rút phoi sẽ bằng:
l0 sin(900  1   ) cos(1   )
K 

l
sin 1
sin 1

Trong thực tế, K = 1,5  4.
Sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm sự co rút của phoi [7].
2.2 LỰC CẮT GỌT
2.2.1. Cơ sở lý thuyết của lực cắt
Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt chịu tác dụng của các lực. Các lực này tác
dụng lên phơi và lưỡi cắt. Hình 2.5a là sơ đồ lực tác động lên phơi khi cắt tự do.

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




Trường ĐHKT Cơng Nghiệp Thái Ngun

Luận văn thạc sĩ

17

R1

b) N'



v

F0
R1

R

N



F0'

R0

R1

c)

R0

N'

F'0



a)

d)
L0

y
Py

R

Pz

z

Hình 2.5. Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do
Mặt trước của dao chịu tác dụng của lực R0, lực R0 là tổng hợp lực pháp
tuyến N và lực ma sát của phoi lên mặt trước F0, có nghĩa là: R0  N  F0 . Mặt sau
của dao (gần lưỡi cắt) chịu tác dụng của lực pháp tuyến N’ và lực ma sát lên mặt
sau của dao F0’. Tổng của hai lực N’ và F0’ là R1. Vì góc sau  nhỏ và có độ mịn ở
mặt sau của dao, cho nên ta có thể tính lực như trên hình 2.5b, có nghĩa là phương
của lực F0’ ngược với phương tốc độ cắt V. Để thực hiện được quá trình cắt hoặc để
giữ trạng thái cân bằng của dao thì từ ngồi phải có một lực tác dụng lên dao
R  R0  R1 (hình 2.5c).

Phân tích lực R tác dụng lên dao ra hai thành phần:
- Thành phần lực Pz theo phương chuyển động chính hoặc theo phương dịch
chuyển của dao và ta gọi Pz là lực tiếp tuyến.
- Thành phần lực Py theo phương trùng với đường tâm dao và ta gọi P y là lực
hướng kính. Khi chiếu các lực lên phương của trục y và trục z ta được:
Pz = Ncos + F0sin + F0’
Py = -Nsin + F0cos+ N’
Lực pháp tuyến N có thể xác định theo công thức gần đúng sau đây:
N   0tSK m

Ở đây:
0: giới hạn chảy của vật liệu gia cơng khi bị nén (kG/mm2);

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




Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ

18

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).

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
2.2.2. Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt
Nhiều nghiên cứu cho thấy sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm lực
cắt xuống 30%, thậm chí xuống 45% khi cắt ren bằng tarô [7].
Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì lực cắt phải càng giảm rõ rệt nếu vật
liệu gia 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].
2.3 HIỆN TƢỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT
2.3.1 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

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




Trường ĐHKT Cơng Nghiệp Thái Ngun

19

Luận văn thạc sĩ

mặt. Ngồi ra, nhiệt cắt còn ảnh hưởng rất lớn đến cường độ mòn và tuổi bền dao
[7].
Sự tỏa nhiệt khi cắt là do một công A (kGm) sinh ra trong quá trình hớt phoi.
Cơng A được xác định theo cơng thức:
A = A1 + A2 + A3

(1)

Ở đây:
A1: công sinh ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo;
A2: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước của dao;
A3: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của dao.
Mặt khác, cơng A được tính theo công thức:
A = Pz.L
Ở đây:
Pz: lực cắt tác dụng theo phương tốc độ cắt (kG);
L: quãng đường mà dụng cụ đi qua hay chiều dài cắt (m).
Các công thành phần trong 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 (m/phút);
K

K: hệ số co rút phoi;
VF1: tốc độ chuyển động của bề mặt gia công tương đối so với mặt
trước của dao (m/phút), VF1 = V.

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




Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ

20

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 2.6). Có một phần nhỏ nhiệt tỏa ra vào
mơi trường xung quanh.
Đường đẳng nhiệt

a

Vùng trượt

II

III
IV

I

Hình 2.6. 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 = Q1 + Q2 + Q3 = Qp + Qd + Qc + Qm
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 cơng 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 tốc độ cắt V =
400  500 m/phút, nhiệt vào phoi Qp  97  98%; Qd  1%. Thực nghiệm cũng đã

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