khảo sát trường nhiệt độ phát triển trong dao pcbn khi tiện thép hợp kim qua tôi bằng phương pháp thực nghiệm

ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN TRƯỜ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬ T CÔNG NGHIỆ P 000 THUYẾT MINH LUẬ N VĂN THẠ C SỸ KHOA HỌ C KỸ THUẬ T CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY KHẢO SÁT TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ PHÁT TRIỂN TRONG DAO PCBN KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠ I HỌ C NGƯỜI HƯỚ NG DẪ N KHOA HỌ C PGS.TS Phan Quang Thế HỌC VIÊN Nguyễn Khánh Toàn Thái Nguyên, 2011 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Phan Quang Thế. Ngoài phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2011 Người thực hiện Nguyễn Khánh Toàn ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS. Phan Quang Thế - Hiệu trưởng Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp, thầy hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình của thầy trong việc tiếp cận và khai thác tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo của thầy trong quá trình tôi làm thực nghiệm và viết luận văn. Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và khoa Sau đại học của Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành bản luận văn của mình. Tôi xin cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị Quốc Dung – Phó trưởng khoa Cơ khí Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp về sự tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi được mượn thiết bị dùng cho thí nghiệm tại xưởng sản xuất của cô. Tôi cũng muốn cảm ơn các cán bộ công nhân viên Công ty YAMAHA Hà Nội về sự tạo điều kiện hết sức thuận lợi và sự giúp đỡ tận tình cho tôi được tiến hành thí nghiệm và mượn thiết bị đo tại xưởng sản xuất của Công ty. Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đến các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp nơi tôi học tập cũng như nơi tôi đang công tác đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này. Tác giả Nguyễn Khánh Toàn iii MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 2.1. Ý nghĩa khoa học 3 2.2. Ý nghĩa thực tiễn 4 3. Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài 4 4. Đối tượng nghiên cứu 4 5. Phương pháp nghiên cứu 4 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 5 Chƣơng 1. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT KIM LOẠI 5 1.1. Qúa trình cắt và tạo phoi 5 1.2. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 9 1.3. Nhiệt cắt 10 1.3.1. Khái niệm chung 10 1.3.2. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại 13 1.3.2.1. Nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất 13 1.3.2.2. Nhiệt sinh trên mặt trước (Q AC ) 14 1.3.2.3. Nhiệt sinh trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (Q AD ) 15 1.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt 16 1.3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công. 16 1.3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công. 17 1.3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dao 18 1.3.4. Các phương pháp xác định nhiệt cắt 18 1.3.4.1. Xác định nhiệt cắt bằng phương pháp đo. 19 1.3.4.2. Xác định nhiệt cắt bằng phương pháp tính toán. 25 1.3.5. Trường nhiệt độ trong dụng cụ cắt 31 iv 1.3.5.1. Phương pháp thực nghiệm xác định trường nhiệt độ 31 1.3.5.2. Phương pháp lý thuyết xác định trường nhiệt độ 31 1.3.5.3. Đặc điểm và các nhân tố ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ trong dụng cụ 31 Chƣơng 2. KHẢO SÁT TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM ANSYS 34 2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn 34 2.1.1. Khái niệm chung về phương pháp phần tử hữu hạn 34 2.1.2. Trình tự giải bài toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 35 2.1.3. Phạm vi ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn 35 2.2. Phần tử tam giác cho bài toán truyền nhiệt hai chiều 37 2.3. Mô hình tính nhiệt sinh ra khi tiện cứng 39 2.3.1. Tính nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất 39 2.3.2. Tính nhiệt sinh ra trên vùng mặt trước 40 2.3.3. Tính nhiệt trong vùng ma sát trượt giữa mặt sau của dụng cụ và bề mặt gia công 41 2.4. Phương trình truyền nhiệt trong dụng cụ cắt 41 2.4.1. Phương trình truyền nhiệt 41 2.4.2. Thành lập phương trình truyền nhiệt sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 42 2.5. Phần mềm ANSYS 46 2.5.1. Giới thiệu chung 46 2.5.2. Các mô đun chính của ANSYS 47 2.5.3. Sơ đồ khối giải bài toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS 48 Chƣơng 3: KHẢO SÁT TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ PHÁT TRIỂN TRONG DAO PCBN KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 49 3.1. Thí nghiệm 50 3.1.1. Yêu cầu với hệ thống thí nghiệm 50 3.1.2. Mô hình thí nghiệm 50 3.1.3. Thiết bị thí nghiệm 51 3.1.3.1. Máy 51 v 3.1.3.2. Dao 51 3.1.3.3. Phôi 52 3.1.3.4. Thiết bị đo 53 3.1.4. Chế độ cắt thí nghiệm 53 3.1.5. Thí nghiệm đo nhiệt cắt 54 3.1.6. Xác định góc tạo phoi (góc cắt) Ф 55 3.2. Xác định trường nhiệt độ và vẽ Profile nhiệt độ 55 3.2.1. Tiến hành mô phỏng bằng phần mềm ANSYS 56 3.2.2. Sơ đồ chia lưới 58 3.2.3. Xác định trường nhiệt độ và vẽ Profiles nhiệt độ 59 3.3. Phân tích kết quả 62 Chƣơng 4 : KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI 63 1. Kết luận chung của luận văn 63 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. 63 Tài liệu tham khảo 65 Phụ lục vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT PCBN: CBN: PPPTHH: PTVPTP: PTVPRP: τ: σ: A: B: σ x : τ x : μ: l: V c : a 1 : a 2 : t 1 : t 2 : γ: α: τ s : V (x) : V p : b: σ AB : F c : F t : F s : Polycrystal Cubic Boron Nitride Cubic Boron Nitride Phương pháp phần tử hữu hạn Phương trình vi phân toàn phần Phương trình vi phân riêng phần Ứng suất tiếp giới hạn thực trên bề mặt tiếp xúc Ứng suất pháp trên bề mặt tiếp xúc Diện tích tiếp xúc danh nghĩa của hai bề mặt Hằng số đặc trưng cho tính chất tiếp xúc của vật liệu Ứng suất pháp trên bề mặt trước của dụng cụ cắt Ứng suất tiếp trên bề mặt trước của dụng cụ cắt Hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước Chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước Vận tốc cắt Chiều dày phoi trước biến dạng Chiều dày phoi sau khi cắt Chiều sâu cắt khi tiện cứng Chiều sâu cắt sau khi biến dạng Góc trước Góc sau Ứng suất tiếp giới hạn của cáclớp phoi tiếp xúc Vận tốc của các lớp phoi dưới cùng trên mặt trước Vận tốc của khối phoi Chiều rộng cắt Ứng suất pháp tuyến trên mặt phẳng trượt Lực cắt theo phương vận tốc cắt Lực cắt theo phương vuông góc với vận tốc cắt Lực tác dụng trên mặt phẳng trượt vii A s : V s : VLGC: VLDC: θ: Q: Q AB = Q 1 : Q AC = Q 2 : Q AD = Q 3 : Q phoi : Q phôi : Q dao : Q mt : ρ: C: β: q 2 : q 21 : q 22 : δ t : K: q 3 : s: Diện tích của vùng mặt phẳng trượt Vận tốc tách phoi theo phương của mặt phẳng trượt Vật liệu gia công Vật liệu dụng cụ Góc giữa mặt phẳng trượt và hợp lực R trên mặt phẳng trượt Tổng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt Nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt Nhiệt sinh ra trên mặt trước Nhiệt sinh ra trên mặt sau Nhiệt truyền vào phoi Nhiệt truyền vào phôi Nhiệt truyền vào dao Nhiệt truyền vào môi trường xung quanh Trọng lượng riêng của vật liệu Nhiệt dung riêng Hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi Tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước Tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước do ma sát của phoi với mặt trước Tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước do biến dạng dẻo của các lớp phoi sát mặt trước Chiều dày của vùng biến dạng thứ hai Hệ số dẫn nhiệt Tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt sau Lượng chạy dao viii DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 - Sơ đồ miền tạo phoi 5 Hình 1.2 - Miền tạo phoi 7 Hình 1.3 - Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau 7 Hình 1.4 - Sơ đồ Tính góc trượt (góc cắt) 7 Hình 1.5 - Quá trình hình thành phoi khi tiện cứng 9 Hình 1.6 - Sơ đồ nguồn gốc của lực cắt 10 Hình 1.7 - Sơ đồ ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại 12 Hình 1.8 - Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường 13 Hình 1.9 - Đường cong thực nghiệm xác định tỷ lệ nhiệt truyền vào phôi 14 Hình 1.10 - Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn 16 Hình 1.11 - Dụng cụ do nhiệt độ 19 Hình 1.12 - Cặp ngẫu nhiệt (pin nhiệt điện) 20 Hình 1.13 - Sơ đồ đo nhiệt cắt bằng pin nhân tạo 21 Hình 1.15 - Đo nhiệt cắt bằng pin bán nhân tạo 22 Hình 1.16 - Đo nhiệt cắt bằng pin tự nhiên 1 dao 22 Hình 1.17 - Hiện tượng ngẫu nhiệt ký sinh 22 Hình 1.18 - Đo nhiệt cắt bằng pin tự nhiên 2 dao 23 Hình 1.19 - Đo nhiệt cắt theo nguyên lý quang học 23 Hình 1.20 - Sơ đồ mạch điện để đo nhiệt cắt bằng tế bào quang 24 Hình 1.21 - Phương pháp chụp ảnh 24 Hình 1.22 - Phương pháp đo nhiệt bằng lazer 24 Hình 1.23 - Trường nhiệt độ của dụng cụ 26 Hình 1.24 - Trường nhiệt độ của chi tiết 26 Hình 1.25 - Phân bố nhiệt trên mặt trước dao 26 Hình 1.26 - Phân bố nhiệt trên mặt sau dao 26 Hình 1.27 - Quan hệ giữa θ và v 28 Hình 1.28 - Quan hệ giữa chiều dày cắt 29 ix Hình 1.29 - Quan hệ giữa nhiệt cắt 30 Hình 2.1 - Phần tử tam giác cho bài toán truyền nhiệt 37 Hình 2.2 - Sơ đồ cắt và mô hình tiện cứng 39 Hình 2.3 - Sơ đồ khối giải bài toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS 48 Hình 3.1 - Mô hình thí nghiệm tiện cứng 50 Hình 3.2 - Máy tiện 1340A. 51 Hình 3.3 - Mảnh dao TPGN 160308 T2001 51 Hình 3.4 - Thân dao MTENN2020K16-N (hãng CANELA) 52 Hình 3.5 - Phôi thép 9CrSi đã qua nhiệt luyện 52 Hình 3.6 - Thiết bị đo nhiệt Ti32 53 Hình 3.7 - Nhiệt độ đo được khi gia công 54 Hình 3.8 - Mặt khảo sát để xác định trường nhiệt độ trong mảnh CBN 55 Hình 3.9 - Sơ đồ chia lưới mảnh CBN 58 Hình 3.10 - Profile trường nhiệt trên mảnh dao và nhiệt độ tại một số nút 60 Hình 3.11- Vùng có nhiệt độ 508.7 0 C 61 Hình 3.12- Vùng có nhiệt độ 306 0 C 61 [...]... 0.00 0.00 4537 9.1392 -0.57922 0.0000 0.00 0.00 0.00 4538 9.2551 -0.91380 0.0000 0.00 0.00 0.00 4539 9.2544 -0.48743 0.0000 0.00 0.00 0.00 4540 9.2749 -0.68074 0.0000 0.00 0.00 0.00 THXY THYZ THZX NHIỆT ĐỘ TẠI MỘT SỐ NÚT NODE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 TEMP 500.00 30.000 505.04 501.67 479.73 458.62 445.47 391.63 387.65...TOẠ ĐỘ CÁC NÚT LIST ALL SELECRED NODES DSYS 0 SORT TABLE ON X NODE X Z Y Y THXY THYZ THZX 1 0.0000 0.0000 0.0000 0.00 0.00 0.00 2 0.33200 -3.2250 0.0000 0.00 0.00 0.00 3 0.11067E-01 -0.10750 0.0000 0.00 . CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY KHẢO SÁT TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ PHÁT TRIỂN TRONG DAO PCBN KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠ I HỌ. toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS 48 Chƣơng 3: KHẢO SÁT TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ PHÁT TRIỂN TRONG DAO PCBN KHI TIỆN THÉP HỢP KIM QUA TÔI BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 49 3.1. Thí nghiệm 50 3.1.1 dao 18 1.3.4. Các phương pháp xác định nhiệt cắt 18 1.3.4.1. Xác định nhiệt cắt bằng phương pháp đo. 19 1.3.4.2. Xác định nhiệt cắt bằng phương pháp tính toán. 25 1.3.5. Trường nhiệt độ trong