Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến quá trình tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN TRUNG SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MŨI DAO
ĐẾN QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG THÉP Ổ LĂN
BẰNG DỤNG CỤ PCBN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2018

i


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là:

Trần Trung Sơn


Học viên:

Lớp Cao học K16

Đơn vị công tác:

Trường Trung cấp nghề Hà Tĩnh

Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến quá trình
tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN”
Chuyên ngành:

Kỹ thuật Cơ khí

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực
và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác. Trừ những
phần tham khảo đã được ghi rõ trong Luận văn./.
HỌC VIÊN

Trần Trung Sơn

ii


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên, em đã được các thầy cô giáo trong trường tạo điều kiện,
chỉ bảo, giúp đỡ tận tình để truyền đạt các kiến thức chuyên môn.
Để hoàn thành được Luận văn này, trước hết em xin tỏ lòng biết ơn sâu
sắc và chân thành tới TS Nguyễn Thị Quốc Dung, người đã tận tình hướng
dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Phòng Đào tạo, Trung tâm thực nghiệm - Khoa Cơ khí cùng các thầy
trong Bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá
trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu trường Trung cấp
nghề Hà Tĩnh nơi em đang công tác, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp
đỡ em trong suốt thời gian qua.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không thể tránh
khỏi sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo,


các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp để bản thân em cũng như Luận văn
được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
HỌC VIÊN

Trần Trung Sơn

iii


CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

PCBN: Nitrit Bo lập phương đa tinh thể
CBN: Nitrit Bo lập phương
BN: Nitrit Bo
a: chiều dày lớp kim loại bị cắt
ap: chiều dày phoi
Kf: mức độ biến dạng của phoi
Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao
 : góc trượt

r: bán kính mũi dao
 (hay  n) : góc trước của dao

Fz (hay Fc): lực tiếp tuyến khi tiện
Fy (hay Fp): lực hướng kính khi tiện
Fx: lực chiều trục khi tiện
S: lượng chạy dao (mm/vòng)
t: chiều sâu cắt (mm)
V: vận tốc cắt (m/phút)
KAB: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất
As: diện tích của mặt phẳng cắt
Vs: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt
ρ: tỷ trọng của vật liệu
Ф: góc tạo phoi
γm: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước
Kc, Kt: các hệ số thực nghiệm
φ: góc nghiêng chính
φ1: góc nghiêng phụ
Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện
iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ....................................................................... iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................... ix
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1. Giới thiệu về tiện cứng ............................................................................................ 1
2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 2
3. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 2
4. Dự định kết quả ....................................................................................................... 3
CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG .................... 4
1.1. Bản chất vật lý ...................................................................................................... 4
1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi ................................................................................... 4
1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng ...................................................... 10
1.2. Lực cắt khi tiện ................................................................................................... 13
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt ...................................................... 13
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện ....................................................... 17
1.2.2.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt ............................................................................ 17
1.2.2.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt ......................................... 18
1.2.2.3. Ảnh hưởng của vật liệu gia công ................................................................. 18
1.2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng .. 19
1.2.2.5. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r. ............................................................ 21
1.2.2.6. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt ................................................................. 22
1.3 Nhám bề mặt ....................................................................................................... 22
1.3.1 Bản chất của lớp bề mặt ................................................................................... 23
1.3.2. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt ...................................................................... 24
1.3.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng ............................ 26
1.3.3.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt ............................... 26
1.3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt ............................................................................ 27
1.3.3.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ................................................................... 28
v


1.3.3.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt ....................................................................... 29
1.3.3.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công ................................................................. 29
1.3.3.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ .................................. 30
1.4. Kết luận .............................................................................................................. 30
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ..................................... 31
2.1. Mục đích thí nghiệm ..........................................................................................31
2.2. Thiết bị thực hiện thí nghiệm .............................................................................31
2.2.1. Máy thí nghiệm ...............................................................................................31
2.2.2. Phôi thí nghiệm ...............................................................................................32
Hình 2.2. Hình ảnh các phôi thí nghiệm ...................................................................32
2.2.3. Các dụng cụ đo kiểm .......................................................................................33
2.2.4. Dụng cụ cắt. ....................................................................................................34
2.2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm. ...................................................................................35
2.2.6. Cơ sở lý thuyết của mô hình thí nghiệm .........................................................35
2.3. Tiến trình thí nghiệm ..........................................................................................39
2.4. Kết luận .............................................................................................................. 39
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 40
3.1. Kết quả đo thực nghiệm .....................................................................................40
3.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ...........................................................................41
3.2.1. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến Ra ..................................................41
3.2.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực dọc trục Fx ...............................................44
3.3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực hướng kính Fy .........................................46
3.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực tiếp tuyến Fz ............................................49
3.3.5. Tối ưu hóa đa mục tiêu....................................................................................53
3.3.5.1. Các bước tối ưu hóa sử dụng phân tích quan hệ xám (Grey Relational
Analysis – GRA). ........................................................................................53
3.3.5.2. Thực hiện các bước của lý thuyết. ............................................................... 56
CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ................................................... 63
4.1. Kết luận chung ...................................................................................................63
vi


4.2. Khuyến cáo......................................................................................................... 63
4.3. Ý nghĩa khoa học ............................................................................................... 64
4.4. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................ 64
4.5. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài ..............................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 65

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của máy .................................................................31
Bảng 2.2: Thành phần hóa học các nguyên tố. .........................................................33
Bảng 2.3: Chế độ nhiệt luyện. ...................................................................................33
Bảng 2.4. Sơ đồ thí nghiệm theo thiết kế Taguchi L9 ..............................................38
Bảng 3.1. Kết quả độ nhám Ra, Fx, Fy, Fz và tỉ số SN của chỉ tiêu. .................... 40
Bảng 3.2. ANOVA trị số Ra ....................................................................................41
Bảng 3.3. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám trung bình ..................42
Bảng 3.4. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Ra .........................43
Bảng 3.5. ANOVA trị số Fx ....................................................................................44
Bảng 3.6. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực dọc trục trung bình .............44
Bảng 3.7. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fx........................45
Bảng 3.8. ANOVA trị số Fy ....................................................................................46
Bảng 3.9. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực cắt hướng kính trung bình Fy .....47
Bảng 3.10. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fy......................48
Bảng 3.11. ANOVA trị số Fz ..................................................................................49
Bảng 3.12. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực tiếp tuyến trung bình Fz ..........50
Bảng 3.13. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fz ......................51
Bảng 3.14. Trị số S/N và giá trị chuẩn hóa Zij của SN. ............................................56
Bảng 3.15. Độ sai lệch j(k) của dãy tham chiếu. ..................................................57
Bảng 3.16. Trị số quan hệ xám ứng với các thông số đầu ra và trị số quan hệ xám
trung bình. .................................................................................................................58
Bảng 3.17: Hệ số quan hệ GRA 0i (k) .....................................................................59
Bảng 3.18. ANOVA trị số quan hệ xám ...................................................................60
Bảng 3.19. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ xám. ...............60

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi ....................................................................................4
Hình 1.2: Miền tạo phoi ..............................................................................................6
Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau .............................................7
Hình 1.4: Tính góc trượt  ..........................................................................................8
Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi.........................................9
Hình 1.6. Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi ..........................10
Hình 1.7. Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 .................................11
Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi ............................13
Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện ...........................................................................14
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm Các bon,
Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN ..............................................15
Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt ....................................................17
Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao TDGN160304S2501,
TDGN160308S1501. ...................................................................................20
Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt .........................................21
Hình 1.14. Chi tiết bề mặt vật rắn ............................................................................24
Hình 1.15. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề mặt ......27
Hình 1.16 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép................27
Hình 1.17. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt ..............................29
Hình 2.1. Máy tiện CS-460x1000G ..........................................................................32
Hình 2.2. Hình ảnh các phôi thí nghiệm ...................................................................32
Hình 2.3. Đầu đo lực Kistler 9257BA.......................................................................33
Hình 2.4. Máy đo độ nhám SJ-201 của hãng Mitutoyo – Nhật Bản. ........................34
Hình 2.5. Mảnh dao tiện PCBN ................................................................................34
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm. .............................................................................35
Hình 3.1. Thiết kế thí nghiệm Taguchi. ....................................................................40

ix


Hình 3.2. Ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám trung bình. .............................42
Hình 3.3. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Ra ....................................43
Hình 3.4. Ảnh hưởng của các thông số đến Fx trung bình. ......................................44
Hình 3.5. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fx ....................................46
Hình 3.6. Ảnh hưởng của các thông số đến Fy trung bình. ......................................47
Hình 3.7. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fy ....................................49
Hình 3.8. Ảnh hưởng của các thông số đến Fz trung bình........................................50
Hình 3.9. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fz .....................................52
Hình 3.10. Hệ số quan hệ GRA theo thứ tự thí nghiệm ............................................59
Hình 3.11. Ảnh hưởng của các thông số đến trị số quan hệ GRA trung bình. ........61

x


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu về tiện cứng
Theo sự phát triển của lĩnh vực vật liệu mới trong khoảng mười năm trở
lại đây, vật liệu thường sử dụng làm dao tiện cứng là CBN (Cubic nitrit Bo),
có thể làm tăng độ chính xác trong tiện cứng, với độ cứng của phôi vào
khoảng 40 - 65 HRC. So sánh với quá trình mài, ưu thế trong tiện cứng cho ta
thấy: thời gian quay vòng ngắn, quá trình gia công linh hoạt, tuổi thọ làm việc
cao, chi phí đầu tư thấp, thân thiện với môi trường. Ngày nay, với sự ra đời
của các loại dụng cụ cắt siêu cứng CBN, các ứng dụng của công nghệ tiện
cứng đã tăng lên rõ rệt trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp
chế tạo ô tô, ổ lăn, các thiết bị thủy lực, bánh răng, cam, trục và các chi tiết
cơ khí khác.
Trong tiện cứng chính xác, một điều quan trọng được xét đến đó là hạn
chế tối đa sự mài mòn dụng cụ cắt nhằm duy trì độ chính xác hình dạng và bề
mặt cho sản phẩm, hạn chế thời gian thay dụng cụ cắt tránh sai số. Sự mài
mòn dụng cụ không chỉ làm giảm trực tiếp độ chính xác hình học mà còn
tăng đáng kể lực khi cắt, tăng nhám bề mặt. Sự thay đổi lực cắt cũng là
nguyên nhân làm cho dụng cụ chuyển động không ổn định, làm dẫn đến giảm
độ chính xác. Mặt khác, bán kính mũi của dụng cụ cũng quan trọng trong
việc xác định độ nhám của bề mặt, lực gia công. Dụng cụ với bán kính mũi
lớn sẽ cho bề mặt nhẵn hơn thông thường. Khi đó, bán kính mũi dụng cụ
đóng vai trò quan trọng việc quyết định hình dạng mặt cắt ngang kết hợp với
độ sâu cắt và tốc độ dẫn tiến. Do đó, bán kính mũi liên quan rất chặt chẽ đến
chất lượng bề mặt. Có thể xem xét rằng bán kính mũi dụng cụ đóng vai trò
quan trọng không chỉ trong việc xác định độ nhám bề mặt mà còn trong biến
dạng chảy dẻo nhiệt của phôi trong quá trình tiện cứng. Hiện nay, dụng cụ cắt
CBN khá đắt, do đó, nhằm đảm bảo hiệu suất làm việc đủ cao với giá thành
thấp, tối ưu hóa hình dạng dụng cụ cắt là cần thiết.
Với việc sử dụng ngày càng phổ biến của các loại thép hợp kim có độ
bền và độ cứng cao trong ngành cơ khí chế tạo, cùng với sự ra đời và phát
1


triển của các loại dụng cụ cắt siêu cứng và các máy gia công tự động, công
nghệ tiện cứng đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt. Việc áp dụng công
nghệ tiện cứng để gia công lần cuối các chi tiết mang lại những lợi ích sau:
- Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm
- Giảm chi phí đầu tư thiết bị.
- Tăng độ chính xác.
- Đạt độ bóng bề mặt cao.
- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 – 4 lần so với mài), nâng
cao năng suất gia công.
- Gia công được các bề mặt phức tạp
- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá.
- Có thể chọn gia công có hoặc không có dung dịch trơn nguội. Gia
công khô giảm được chi phí cho dung dịch trơn nguội và không thải chất thải
ra môi trường.
Trên cơ sở phân tích trên, tác giả chọn đề tài:
“NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MŨI DAO ĐẾN
QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG THÉP Ổ LĂN BẰNG DỤNG CỤ PCBN”
2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khi
tiện cứng và đặc điểm quá trình tiện cứng.
- Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của bán kính mũi dao tới nhám
bề mặt, lực cắt khi sử dụng dụng cụ PCBN tiện tinh thép ổ lăn.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu
tổng quan về các vấn đề liên quan đến tiện cứng từ đó rút ra vấn đề định
hướng cho nghiên cứu về nhám bề mặt, lực cắt.
Tiến hành các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm sử dụng mảnh dao
PCBN tiện tinh thép ổ lăn để xác định nhám bề mặt, lực cắt và mòn dụng cụ
khi sử dụng dao có bán kính mũi khác nhau.

2


4. Dự định kết quả
Phát hiện quy luật ảnh hưởng của bán kính mũi dao tới lực cắt, nhám bề
mặt trong quá trình tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN.
Xây dựng mô hình về mối quan hệ giữa nhám bề mặt, lực cắt và bán
kính mũi dao.

3


CHƯƠNG I
BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG
1.1. Bản chất vật lý
Trong quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượng
vật lý xảy ra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng,
biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến công tiêu
hao trong quá trình cắt gọt, lực cắt, độ mòn của dụng cụ, chất lượng bề mặt
của chi tiết gia công.
1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi
Quá trình cắt kim loại là quá trình lấy đi một lớp phoi trên bề mặt gia
công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu.
Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động:
- Chuyển động cắt chính (Chuyển động làm việc): Với tiện đó là chuyện
động quay tròn của phôi.
- Chuyển động chạy dao: Đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo
phoi liên tục trong suốt quá trình cắt. Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc
của dao khi tiện mặt trụ 6.
Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực 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
công.
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 (hình1.1).

a.

b.

Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi

4


Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động bao gồm:
- Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao
được giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi. Dưới tác dụng
của lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo. Khi ứng
suất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện
hiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE). Trong quá trình cắt,
vùng phoi một luôn di chuyển cùng với dao.
- Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao.
- Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt sau của dao.
- Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi để
hình thành phoi.
Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ
chức hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như không xảy ra.
Quá trình bóc tách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động.
Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị
số của công cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của
dao (tuổi thọ của dụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất
nhiều vào quá trình tạo phoi.
Khi cắt do tác dụng của lực P (Hình 1.1), 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 trạng
thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớp
kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao.
Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi
biến thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất
định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng. Khu
vực này được gọi là miền tạo phoi (Hình 1.2).

5


Hình 1.2: Miền tạo phoi
Trong miền này (như sơ đồ hoá hình 1.1) có những mặt trượt OA, OB,
OC, OD, OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt có ứng
suất tiếp có giá trị cực đại).
Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát
sinh những biến dạng dẻo đầu tiên, đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo
và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi.
Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao.
Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo
phoi, khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với
mặt trước của dao.
Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao
(hình 1.1) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên. Mức độ biến
dạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài
ra theo một hướng nhất định, tạo thành tua.
Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều. Mức độ biến dạng của
phoi:
(1 –1)

Kf = Kbd + Kms
Ở đây:

Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
Kms là mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao.

6


Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm
phía dưới đường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.
Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia
công và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…).
Vận tốc cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi. Tăng
vận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thế được giải thích
như sau :
Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với
tốc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với vận tốc lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ
đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra
theo đường OA mà chậm đi một thời gian theo đường OA’. Tương tự như
vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’
chậm hơn so với OE (hình 1.3).

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau
Như vậy ở vận tốc cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’; A’OE’ quay đi
một góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so
với trước (a’1 < a1) vì biến dạng dẻo giảm đi.
Khi vận tốc cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng
của nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến
dạng của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF. Do đó để cho
đơn giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt
xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển
động của dao một góc bằng .
Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc  gọi là góc trượt.

7


Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng
dẻo trong miền tạo phoi.

Hình 1.4: Tính góc trượt 
Theo hình vẽ 1.4 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của phoi
là a1 ta có :
r

a
OC . sin 
sin 


a1 OC . cos(   ) cos(   )

(1-2)

Do đó có thể tính  theo công thức :

tg 
Nếu đặt K 
tg 

r. cos 
1  r. sin 

(1-3)

1
thì ta có công thức sau :
r
cos
K  sin 

(1-4)

Như vậy góc trượt  phụ thuộc vào  và tỉ số K.
Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thay
đổi so với kích thước của lớp kim loại sinh ra nó. Đại lượng K đặc trưng cho
sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn.
Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó công
tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công
cao. Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5.

8


K
3

V3

V1
V2

2
0

20

40

60

80

Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi
Khi Vc tăng từ V1 đến V2 biến dạng của phoi giảm
Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng,
biến dạng của phoi tăng. Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm
tăng góc trước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ dàng
hơn biến dạng của phoi giảm và đạt giá trị cực tiểu tại B ứng với Vc = V2 (tại
đây chiều cao lẹo dao lớn nhất).
Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn
hơn.
Khi Vc tăng từ V2 ÷ V3 biến dạng của phoi tăng.
Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần,
dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Khi Vc tăng,
hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh
hưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng biến dạng của
phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn).
Khi Vc > V3: lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rất
cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát
giữa phoi và mặt trước giảm, K giảm.
Khi Vc > 200 ÷ 300 m/f hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biến
dạng của phoi hầu như không thay đổi.
Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao,
phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt.
9


Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăng
chiều dày trung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham
gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của
chúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như thẳng góc với lưỡi cắt)
làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6.

Hình 1.6. Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi
1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng
Trong tiện cứng, quá trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất
phức tạp, chủ yếu do độ cứng của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháp
tốt nhất vẫn là sử dụng mảnh dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt… đặc biệt
cao. Tiêu biểu cho nhóm này là các mảnh CBN, PCBN …
Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạo
phoi lý thuyết khi gia công thép tôi.
- Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn
đến sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi.
- Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳ
trên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt.
Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép
100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt.
Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt
giảm khi tăng độ cứng trong dải này. Điều này được giải thích là khi độ cứng
của vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm

10


độ bền của vật liệu gia công dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếp
xúc giữa phoi và mặt trước. Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt.
Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50 HRC, phoi sẽ
chuyển từ phoi dây sang phoi dạng răng cưa và lực cắt tăng lên. Khi tăng
độ cứng, góc tạo phoi tăng và chiều dày của phoi giảm. Khi độ cứng tăng,
tồn tại hai yếu tố trái ngược ảnh hưởng đến cơ chế tạo phoi đó là tăng độ
bền của vật liệu gia công do tăng độ cứng và giảm độ bền của vật liệu gia
công do tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi.
Khi độ cứng tiếp tục tăng, vật liệu gia công trở nên giòn hơn và yêu cầu
năng lượng cắt nhỏ hơn. Khi gia công vật liệu giòn, biến dạng nứt trở nên nhỏ
hơn và khi nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt sẽ trở nên thịnh hành và
hiện tượng trượt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trượt chỉ ra trên hình 1.
Khi hiện tượng này xảy ra, nhiệt độ trong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầu
giảm. Một điều cần lưu ý là phoi dạng răng cưa xuất hiện khi gia công phôi có
độ cứng thấp hơn nhưng với vận tốc cắt cao hơn. Điều này chứng tỏ cơ chế
tạo phoi được điều khiển bởi sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vật
liệu gia công và mối quan hệ giữa hai yếu tố này với nhiệt độ trong vùng cắt.
Hình 1.7 chỉ ra 3/4 giai đoạn hình thành phoi răng cưa khác nhau.

Hình 1.7. Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với
V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô.
11


Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt giá trị tới hạn trong vùng tạo phoi một
vệt nứt đột nhiên xuất hiện và phát triển gần đến lưỡi cắt. Chiều dài của vết
nứt là rất quan trọng và có thể so sánh với chiều dày của phoi khi biến dạng
không xảy ra. Tất nhiên vết nứt xuất hiện trước khi phoi răng cưa được hình
thành.
Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, vùng phoi giữa vết nứt và
cạnh viền sẽ bị đẩy lên không kèm theo biến dạng và vết nứt sẽ bị khép lại khi
dụng cụ tiến lên phía trước và chiều cao của phoi giảm xuống. Tốc độ trượt
của phoi trên mặt trước lớn đến mức mà có thể tạo ra nhiệt độ cao gần điểm
A3 vì thế Máctensít sinh ra do ma sát giữa các lớp phoi thể hiện ở dạng lớp
trắng bao quanh mảnh phoi được hình thành. Hơn nữa một lớp trắng tương tự
sẽ sinh ra trên bề mặt gia công do ma sát rất lớn giữa mặt sau của dụng cụ với
bề mặt gia công có nguyên nhân là lực hướng kính Py rất lớn.
Giai đoạn 3: Khi chiều rộng của khe hở trở nên hẹp tới mức mà tốc độ
bật ra và biến dạng dẻo của phoi là rất lớn. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hai
lớp trắng trên phoi và trên bề mặt phân cách giữa phoi và bề mặt gia công kết
hợp lại tạo nên phần thứ hai của phoi răng cưa. Do ở đây chiều dày của phoi
rất nhỏ và tốc độ nguội rất cao vì thế hiện tượng chuyển đổi trong vùng này là
“adiabatic”.
Giai đoạn 4: Mảnh phoi răng cưa hình thành và thực tế điền vào chỗ
trống tồn tại giữa vết nứt và mặt trong của phoi do biến dạng dẻo. Sự phân bố
ứng suất nén đã giảm trong giai đoạn 2 và 3 lại trở nên quan trọng và tạo nên
vết nứt mới cho một chu kỳ tạo mảnh phoi vụn mới [14].
Dạng phoi được hình thành phụ thuộc vào sự cân bằng giữa vận tốc cắt
và độ cứng của vật liệu gia công và mối liên hệ giữa hai thông số này với
nhiệt độ sinh ra trong vùng cắt. Hình 1.8 sự ảnh hưởng của tỷ số HVphoi /
HVphôi (Tỷ số giữa độ cứng lớn nhất đo trên phoi và độ cứng của phôi ban
đầu) đến dạng phoi hình thành. Kết quả thí nghiệm cho thấy biến cứng ảnh
hưởng lớn đến sự hình thành phoi khi độ cứng của phôi tăng hoặc vận tốc cắt
thấp [14].
12


Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi
và vận tốc cắt
1.2. Lực cắt khi tiện
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt
Ta đã biết, để thực hiện quá trình tạo phoi, khi cắt dụng cụ phải tác
động vào vật liệu gia công một lực nhất định. Lực này làm biến dạng vật liệu
và phoi được hình thành. Tuy nhiên dụng cụ cắt cũng chịu một phần lực
tương tự. Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý nghĩa
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 toán và thiết kế máy
móc, thiết bị … Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt, dụng cụ sẽ bị
mòn, bị phá huỷ. Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ thì phải hiểu
được quy luật tác động của lực cắt. Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải
biết lực cắt. Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hóa
lý thuyết quá trình cắt. Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt
thì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng. Điều đó có nghĩa là một mặt
lực cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại sự tách phoi, mặt khác lực cắt do
dụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [4], [6].
Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian
gia công thì lực cắt không phải là một hằng số. Lực cắt được biến đổi theo
quãng đường của dụng cụ. Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại.
13


Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi
tiết gia công. Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không
bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến
dạng phần tử khác [4], [6].
Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hình 1.9. Lực tổng hợp
F được phân tích thành ba thành phần lực bao gồm : lực tiếp tuyến Fz (hay
Fc), lực hướng kính Fy (hay Fp) và lực chiều trục (lực ngược với hướng
chuyển động chạy dao) Fx.

Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện
Thành phần lực Pz là lực cắt chính. Giá trị của nó cần thiết để tính toán
công suất của chuyển động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết cơ cấu
chuyển động chính và các chi tiết khác của máy công cụ.
Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết, ảnh hưởng
đến độ chính xác gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt.
Thành phần Fx tác dụng ngược hướng chạy dao, nó dùng để tính độ bền
của chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu hao
của cơ cấu chạy dao.
Lực cắt tổng cộng được xác định:
F 

Fx2  Fy2  Fz2

(1- 5)

Trường hợp tổng quát các thành phần lực này không thuần nhất. Trị số
của Fz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặt

14


trước của dao. Còn lại Fx, Fy phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực ma sát.
Bởi vậy các thành phần lực này thay đổi khi thay đổi vật liệu gia công, thông
số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt, …
Lực cắt khi gia công vật liệu có độ cứng cao không cao hơn so với khi
gia công vật liệu có độ cứng thấp trong cùng điều kiện. Góc tạo phoi lớn và
phoi dạng răng cưa do tính dẻo của vật liệu gia công kém làm giảm lực cắt
mặc dù độ bền của vật liệu cao. Khi gia công thép 0,25% các bon thay đổi độ
cứng đến HV500 sử dụng dao có góc trước 0o, lực cắt hầu như độc lập với độ
cứng. Mặt khác khi sử dụng góc trước -20o, khi tăng độ cứng của phôi cả lực
cắt và lực hướng kính đều giảm. Tăng góc trước âm có tác dụng làm tăng
thành phần lực cắt hướng kính đáng kể [4].
Khi tiện thép thấm các bon, ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN
với  = - 6o và  = 0o, các thành phần lực cắt Fz và Fy tăng nhanh theo chiều
dài cắt còn thành phần Fx tăng hầu như không đáng kể theo chiều dài cắt.
Thành phần lực cắt Fy luôn là thành phần lớn nhất do góc trước âm lớn biến
đổi dọc theo bán kính của lưỡi cắt chỉ ra trên hình 1.10 [10].

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm
Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN
với  = - 6o và  = 0o.

15


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×