XÁC ĐỊNH các NHÂN tố ẢNH HƢỞNG đến lực cắt BẰNG DAO đĩa TRONG QUÁ TRÌNH vát mép THÉP tấm

HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM XÁC ĐỊNH CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN LỰC CẮT BẰNG DAO ĐĨA TRONG QUÁ TRÌNH VÁT MÉP THÉP TẤM Trƣơng Quốc Thanh, Trần Nguyên Duy Phƣơng, Huỳnh Hữu Nghị Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM TĨM TẮT: Trong báo này, mơ hình thiết bị thực công đoạn vát mép giới thiệu Một mô hình máy vát mép cho thép trình bày cách khái quát Các nhân tố ảnh hưởng đến lực cắt trình vát mép thép dao đĩa (tác nhân liên quan đến công suất cắt tuổi bền dụng cụ) thông qua biên dạng thơng số hình học dụng cụ cắt tiến hành khảo sát mơ hình tốn Sự ảnh hưởng nhân tố làm sở cho việc định tính tiêu tốn tối ưu thông số ảnh hưởng đến lực cắt đề cập đến Từ khóa: thiết bị vát mép; hàn thép tấm; mô lực cắt; chuẩn bị phôi hàn; dụng cụ cắt GIỚI THIỆU (ray dẫn hướng, đầu vát lắp xe rùa có khả điều chỉnh tốc độ) Phần giới thiệu bao gồm phần: Phần trình bày trình vát mép thép tấm; Các nghiên cứu tài liệu liên quan đến lực cắt q trình gia cơng, nhằm làm sở cho việc nghiên cứu lực cắt dụng cụ vát mép đề cập Phần Phần Giới thiệu trình vát mép: Ngày nay, với phát triển công nghệ khoa học kỹ thuật, cấu kết cấu thép thiết bị lớn thực chế tạo thơng qua cơng đoạn hàn Ví dụ, vát mép thép ứng dụng ngành công nghiệp đóng tàu, xây dựng cơng trình dầm cầu thép, nhà cao tầng với kết cấu thép, v.v Vì vậy, phương pháp hàn dùng để kết nối tạo liên kết phần thép lại với ngày phát triển nhằm đáp ứng với nhu cầu phát triển xã hội Bên cạnh đó, mối ghép hàn vật liệu thép có chiều dày lớn (>15 mm: hàn phía; >25 mm hàn hai phía) cơng đoạn tiền xử lý mép phôi liệu ban đầu cần thiết, cụ thể vát mép phôi hàn nhằm làm tăng độ ngấu tăng chiều dày đường hàn, dẫn đến đảm bảo độ bền chịu lực mối hàn Bảng So sánh phương pháp vát mép Đặc điểm Ưu điểm Trang 174 Phương pháp Gió đá Mài (tay) Năng suất vát mép cao cần Cơ động, kết hợp không cần với thiết đầu tư lớn bị đồ gá thiết bị chuyên dùng Phay Bề mặt mép vát xác Nhược điểm Gây biến dạng chi tiết Mép vát để lại lớp O-xít kim loại  cần phải có cơng đoạn làm lại bề mặt máy mài tay Năng suất thấp, dùng vát mép phơi thép có chiều dày nhỏ Tổn hao vật liệu đá mài lớn, ảnh trực tiếp đến sức khỏe người thợ Năng suất vát mép không cao Thực tế cho thấy, liên quan đến phương pháp thiết bị phục vụ công đoạn vát mép phôi hàn nước ta là: vát mép gió đá, máy mài tay, dùng máy phay, Chất lượng mối hàn phụ thuộc nhiều vào công đoạn vát mép Bảng cho ta thấy tổng quan ưu nhược điểm phương pháp vát mép Hình Vát mép đầu gió đá máy mài tay HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Máy dụng cụ máy phay vát mép Hình Thiết bị máy vát mép hãng Gullco Các phương pháp thiết bị thực công đoạn vát mép thép trình bày theo tài liệu [1-2] Trong Hình 1, cơng nhân thực cơng đoạn vát mép thép tay Với phương pháp này, người công nhân dùng máy mài tay mài mép vát theo vết vạch sẵn thép Hình trình bày thiết bị dụng cụ vát mép phương pháp phay [8] Các thiết bị vát thép có mép vát chiều dày vát nhỏ Đối với mép vát lớn cần phải thực qua nhiều công đoạn, nên suất thấp Một dạng máy vát mép thực theo nguyên lý thể Hình Đối với thiết bị này, dao cắt có biên dạng hình đĩa, q trình cắt vật liệu xem phương pháp bào vật liệu với vận tốc cắt gần với tốc độ tiến phôi liệu Phần Lực cắt: Trong tài liệu [3-4], Abele công nghiên cứu thành cơng q trình chẻ thép dao đĩa Đối với phương pháp này, dạng thép định hình chữ I họăc U thực thông qua phôi liệu ban đầu thép không cần qua công đoạn hàn phôi với Một mơ hình học tham số ảnh hưởng đến lực cắt trình phay mặt đầu đánh giá thực nghiệm xem xét Coelho cộng [5] Các tham số áp suất cắt (Ks), hệ số ma sát () lực ma sát đàn hồi ảnh hưởng từ mặt sau (FE) xem xét Trong tài liệu [6], tác giả mô lực cắt phương pháp phay ngón xét đến ảnh hưởng chiều sâu cắt (xét ảnh hưởng lực cắt bên hông dao) Nghiên cứu [7] xét đến khả gia công hợp kim Titan, q trình gia cơng hiệu chỉnh lại thơng số chế độ cắt thơng qua tín hiệu nhận Đối với mơ hình xem phương pháp gia công thông minh Trong tài liệu [8], tác giả đăng ký quyền mơ hình máy phay dùng vát mép thép Trong tài liệu [9], tuổi thọ độ bền dụng cụ cắt tác giả nghiên cứu cách chi tiết Khi xem xét yếu tố suất độ xác gia cơng cần phải dung hòa với yếu tố tuổi bền dụng cụ Tuy nhiên, xét phương pháp vát mép thép cho cơng đoạn hàn, u cầu độ xác khơng cần cao Do đó, yếu tố độ bền không cần đặt nặng so với yếu tố suất Tài liệu [10 -11] giáo trình dụng cụ nguyên lý cắt kim loại, khái niệm công thức số liệu mô lực cắt Nội dung lại báo gồm đề mục: Đề mục giới thiệu q trình hình thành lực cắt gia cơng cắt gọt; Đề mục nêu lên trạng thiết bị vát mép Công ty Gullco; Đề mục mơ hình hóa q trình vát dao đĩa; Cuối cùng, phần kết luận trình bày đề mục LỰC CẮT 2.1 Quá trình hình thành lực cắt Những vấn đề liên quan đến lực cắt quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, đồ gá, tính tốn thiết kế máy móc thiết bị Dụng cụ cắt bị mòn bị phá hủy tác dụng lực nhiệt sinh trình cắt gọt Những hiểu biết lý thuyết lực cắt nhằm xây dựng xác lý thuyết trình cắt Lực cắt sinh cắt tượng động lực học, tức chu trình thời gian gia cơng lực cắt khơng phải số mà biến đổi theo quãng đường dụng cụ Khi nghiên cứu chất động lực học q trình cắt kim loại, lực cắt phân tích thành thành phần theo mặt chịu tải Khảo sát q trình bào tự do, ta có sơ đồ Hình 4(a) Trang 175 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM - Mặt trước dao: Lực ép mặt trước dao N1; Lực ma sát mặt trước dao F1; Tổng lực tác dụng lên mặt trước Q1 - Mặt sau dao: Lực ép mặt sau dao N2; Lực ma sát mặt sau dao F2; Tổng lực tác dụng lên mặt trước Q2 Hình 4(b) thể hiển lực cắt hình thành mặt trượt lực thành phần biểu diễn vòng tròn Merchant Các lực thành phần mặt trượt gồm: Lực tách phoi Pc; Lực ép lên vùng cắt Pe Dựa vào lực cắt Pv lực chạy dao Ps mơ hình cắt tự xây dựng vòng tròn Merchant, nhờ ta vẽ xác định lực cắt N cos   Fsin   Pesinb1  Pccosb1  N sin   Fcos  Pe cosb1  Pcsinb1  Ta có mặt trước dao: F =µN Từ quan điểm biến dạng kim loại mặt trượt, ta xác định: a b (3) Pc  tb  c sin b1 Trong đó: σc ứng suất cắt sinh mặt trượt OM Từ đó, ta tính được: N af R Lực cắt Q1 Dụng cụ Q1 N= F2 N2 α Q2 Phôi (a) Lực hai mặt trước sau cụng cụ cắt; Y Phoi M X v γ N1 F1 Pe b1 α O Dụng cụ Trong đó: af Pc γ - σc ứng suất cắt sinh mặt trượt OM, [N/mm2], v Pe Pv α Ps Q1 Phôi N1 F1 (b) Lực cắt mặt truợt biểu diễn lực thành phần vòng tròn merchant Hình Mơ tả trinh hình thành lực cắt Các thành phần lực Hình 4(b) Theo lý thuyết cân lực, tổng lực tác dụng vào phần tử phoi cắt phải không N + F + Pe + Pc = (1) Chiếu hệ lực hai trục hệ tọa độ XOY, ta có: Trang 176 Thực nghiên cứu quy luật xuất mặt trượt OM (thông qua góc tách phoi β), nghiên cứu ứng lực sinh tách phoi với diện tích tiết diện phoi cắt xác định từ tính chất học vật liệu chi tiết gia công người ta xác định lực cần thiết để tách đơn vị diện tích phoi cắt (tính cho mm2), lực gọi lực cắt đơn vị, ký hiệu p, đơn vị tính N/mm2 Kết nghiên cứu cho ta cơng thức tính lực cắt đơn vị p sau: (6) p   c tg (  b1 )  ctg b1  , (N/mm ) Phoi a  c a tb b[(K - sin )2  cos 2 ] (5) cos  (sin    cos )  (cos +sin )(K - sin )cos 2.2 Công thức xác định lực cắt a Phương pháp dựa sở phân tích học trình cắt F1 γ Pc (4) v N1 a Pc (cosb1  sin b1tg b1 ) tg b1 (sin    cos )+(cos +sin ) với K hệ số co rút phoi, sau biến đổi lực N tính sau: Phoi Q2 (2) - Ψ góc giữ phương trượt phương lực tác dụng loại vật liệu xác định, phụ thuộc vào vật liệu gia cơng, - β1 góc tách phoi Lực cắt tính theo cơng thức sau: P = p.q, (N) Trong đó: (7) - q diện tích tiết diện lớp cắt tách Với: q = s.t = atb.b (mm2) Với: - s: lượng chạy dao; t: chiều sâu cắt ; atb: chiều dài cắt trung bình; b: bề rộng cắt HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Thay phương trình (6) vào phương trình (7) Ta nhận được: (8) P   c atbb tg (  b1 )  ctg b1  , (N) b Phương pháp thiết lập công thức thực nghiệm dạng hàm mũ Cơng thức thực nghiệm tính toán lực cắt xây dựng sở khảo sát thực nghiệm mức độ ảnh hưởng yếu tố cắt gọt đến lực cắt Bằng kết thực nghiệm thu thông qua thống kê xử lý số liệu ta nhận công thức thực nghiệm Nhiều nhà nghiên cứu đề xuất cơng thức tính toán lực cắt dạng hàm mũ yếu tố cắt gọt chính: x y z P  C pt p s p v p K p , (N) (9) Bảng Khả vát mép máy KBM18 Sức bền kéo Góc vát 45kg/mm A (0) 50kg/mm2 60kg/mm2 W D W D W D (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 22,50 18 16,6 16 14,8 14 13 18 15,6 16 13,9 14 12,1 30 37,5 17 13,5 15 11,9 13 10,3 45 16 11,3 14 9,9 12 8,5 55 15 8,6 13 7,5 11 6,3 MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH VÁT MÉP BẰNG DAO ĐĨA Trong đó: - Cp số lực cắt; xp, yp, zp số mũ; Kp hệ số điều chỉnh xác định từ thực nghiệm cắt gọt Trong cắt gọt kim loại, yếu tố cắt gọt ảnh hưởng đến độ lớn lực cắt có nhiều THIẾT BỊ VÀ KHẢ NĂNG CỦA MÁY VÁT MÉP HIỆN TẠI SỬ DỤNG DAO CẮT DẠNG ĐĨA Hiện tại, công ty Gullco phát triển dòng máy thương mại dùng dụng cụ cắt dạng đĩa cho công đọan vát mép thép Mô hình máy thực Hình A W D Hình Mơ hình máy vát mép cơng ty Gullco Thiết bị dùng thực mép vát với chiều dày cắt bề rộng mép tương đối lớn Vận tốc vát vào khoảng (m/phút) Khả vát mép thiết bị phụ thuộc vào sức bền kim lọai tấm, chiều dày mép vát góc nghiêng Cụ thể giá trị tham khảo khả máy cho Bảng 4.1 Thơng số hình học dao Dụng cụ cắt sử dụng trình gia cơng có dạng trụ với thơng số hình học góc tọa độ khác trình bày Hình 6a 6b A-A B-B zD xD yD (a) Thơng số hình học dụng cụ cắt tọa độ phôi Oxyz; (b) Thông số hình học dụng cụ hệ tọa độ dao OxDyDzD Hình Thể góc dụng cắt biên dạng dao góc tọa độ khác Trong đó: - Đường kính đáy lớn D0 - Đường kính đáy nhỏ D1 - Chiều cao h; - Góc sau  (giảm ma sát phoi dụng cụ q trình gia cơng); - Góc trước  qua{D0,D1,h}) (được xác định thông Hai hệ trục tọa độ xét trình là: - Oxyz, hệ trục tọa độ phôi - OxDyDzD, hệ trục xét tọa độ dụng cụ cắt Mối quan hệ hai hệ tọa độ tịnh tiến xoay góc  quanh trục Ox Trang 177 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Trong trình vát mép thực tế biên dạng dao cắt có dạng cưa với cung tròn tạo nên bề mặt ngồi dao cắt Do đó, q trình gia cơng, lực cắt sinh chiều tiến phôi, lực có tác dụng tự kéo phơi vào để thực q trình cắt Để xét tồn diện cho mơ hình lực cắt thực tế biên dạng hình học dụng cụ cắt sau Trong báo này, giả thiết đặt lực cắt sinh có tác dụng thực trình bào Việc xác định lực cắt tảng cho nghiên cứu xác định dao với biên dạng cắt cưa lực cắt có chiều xác định chiều với hướng vận tốc cắt Các thông số chế độ cắt bề rộng W, chiều sâu cắt t vận tốc phôi vf thể Hình 6(a) Q trình gia cơng thực phạm vi dụng cụ tiếp xúc với phôi, cung I1 I Vận tốc cắt xét điểm biên dạng lưỡi cắt tổng hai thành phần vận tốc vc  v f  vD (10) Trong đó: - vf: vận tốc phơi (  3m/s) - vD: vận tốc dài dao cắt (   D (m / s) Hình Xét ảnh hưởng thay đổi góc   theo dạng hàm số sau: g ( )   k e n (  a )^2  1  g ( )   k e n ( b )^2    (12) Xác định hệ số hệ phương trình (12) điều kiện biên giả định thay đổi Sau kết hợp hai hàm: nội suy tuyến tính hàm ảnh hưởng cho biên dạng dao cắt Ta có phương trình sau   T g ( )   (13)    T g ( )   Các hàm nội suy tuyến tính ( T , T ) xác định thông qua điều kiện ban đầu (11) Trong q trình xem xét biến đổi góc dao thơng qua hệ phương trình (13) giá trị góc trước sau tìm Hình Hình  Biên dạng cắt thực phần cung I1 I , tương ứng với góc bắt đầu 1 kết thúc  Việc khảo sát q trình gia cơng phạm vi 1    2 Hình 6(b) thể hai mặt cắt A-A B-B hai vị trí góc tương ứng   90 1    2 Các góc thơng số hình học dụng cụ cắt xét theo phương Ox Do có biến đổi gốc độ dụng cụ cắt theo góc  xác định phương Ox, việc xác định thông số hình học dao xét định tính thơng qua việc nội suy hàm số gần với thay đổi Ta có điều kiện biên ban đầu góc dao thay đổi theo góc  theo phương Ox,   x  0   ;  x  0   ;    0;  x  90  0;   x  90 [11] Quá trình biến đổi góc khơng tn theo quy luật tuyến tính Trang 178  Hình Sự thay đổi góc sau  theo thay đổi góc  từ đến 900   Hình Sự thay đổi góc trước  theo thay  đổi góc từ đến 900 Kết thực với hệ số giả định K=0.5; K=0.2, điều kiện biên HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM   T g ( )   K e(1,820,048 ) (15  0,167 )     T g ( )   K e(1,820,048 ) (5  0,56 )  (14) 4.2 Lực cắt Trong trình gia cơng dao thực chuyển động quay tròn, ta xét chuyển động chuyển động làm tăng tuổi bền dụng cụ cắt không xét chuyển động ( = 0) Tuy nhiên, chuyển động xoay tròn làm thay đổi phương vận tốc cắt (Hình 6a), q trình làm ảnh hưởng nhiều đến q trình hình thành lực cắt Khi mơ tính tốn lực cắt, ta giả định dao đứng yên chi tiết thực chuyển động tịnh tiến để thực trình vát mép Như vậy, ta xem cơng đoạn bào vật liệu Khi xoay dao phôi góc  dùng mặt phẳng cắt dọc theo phương X Ta nhận Hình 10 với thơng số hình học dao cắt với góc độ khác phụ thuộc vào góc  Trong phương trình [14], với gốc độ 1    2 ( 1  250 ; 2  500 ), xác định giá trị góc trước góc sau tương ứng: (15) Phoi Dung cu cat 1x vf 1x 2x I t H I c 1 Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, ta hoàn toàn xác định giá trị lực cắt thông qua công thức (17) KẾT LUẬN 1  250    4,70 ,  1  12,670  0 2  50    3,16 ,  1  7, 47 2x Nhận thấy góc độ dao thay đổi nhiều q trình xác định lực cắt thể biểu thức [5] Do đó, xác định lực cắt hai phương pháp trình bày cơng x y z P  C pt p s p v p K p thức (8) ( ) có thay đổi tra hệ số ảnh hưởng đến góc độ dao Do đó, ta áp dụng công thức (6) (7) xác định lực cắt thông qua phân tích học Lực tác dụng theo phương XD làm sở để xác định công suất máy gia công Các thành phần lực theo phương YD phương ZD làm tảng để xác định độ bền ụ dao Từ công thức (6) (7), ta rút công thức định lực cắt: P  Scat  c tg (  b1 )  ctg b1  (16) Với Scắt: diện tích chịu cắt ( Scat  W t ) Từ đó, ta nhận biểu thức xác định lực cắt sau (17) P  W t. tg (  b )  ctg b  W Trong báo này, xét nhân tố ảnh hưởng đến lực cắt thơng qua biên dạng thơng số hình học dụng cụ cắt tiến hành khảo sát mô hình tốn Xét ảnh hưởng thơng số hình học, dụng cụ cắt làm sở cho việc định tính tiêu tốn tối ưu thông số ảnh hưởng đến lực cắt sở để xác định cơng suất máy Phơi Hình 10 Mơ hình q trình gia cơng dao đĩa hai tiết diện cắt preparation on sheet metal”, Journal of Advances in production engineering and management, V.3, page 149-157, 2008 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.fabtooltechnologies.com [2] http://www.bugo.com [3] Soon-Wook Choi, Chulho Lee et al., “Experimental linear cutting tests of forces and temperature gradients in disc cutters”, Advance in Cilvil, Enviromental and Material Research, Korea, August 28-Sept Volumn 1, 2016 [4] E Abele, S Stein, “Manufacturing process M., for Dewald, edged [5] R T Coelho, A Braghini Jr., C.M.O Valente G C Medalha, “Experimental evaluation of cutting force parameters applying mechanistic model in orthogonal milling”, Journal of the Braz Soc Of Mech Sci & Eng., volumn XXV, Number 3, Page 247-253, 2003 [6] W H Lai, “Modeling of cutting force in end milling operations” Tamkang Journal of Science and Engineering, Volumn 3, Number Trang 179 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM , page 15-22, 2000 [9] [7] B Jabbaripoor, A Habibzadeh M.H Sadeghi, “Cutting force modeling in endmilling operation of titanium thin-walled parts”, Iranian Conference on manufacturing Engineering, (ICME2009), 3-5/03, 2009 [10] T R David, Fundamentals of tool design, [8] VaderPol et al, “Cutting and beveling tool”, Number Parent: US 7,271,505 B2, 2007 A.G Mamalis, J Kundrák vàa M Horváth, “On a novel tool life relation for precision cutting tools”, Journal of manufacturing science and engineering, Volumn 5, page 328-332, 2005 Prentice Hall, Inc., New Jersey, 1991 [11] T V Địch, Nguyên lý cắt kim loại, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 DETERMINATION OF PROCESS PARAMETERS AFFECTING ON CUTTING FORCE BY DISK-SHAPED CUTTER FOR BEVELING SHEET METAL ABSTRACT In this paper, the equipments of sheet beveling machine are introduced A model of a beveling machine for sheet metal is presented as a generalization Process parameter affecting on the cutting force during the beveling of the sheet metal by dish-shaped cutter (factors related to the power and the cutting tool life) via the shape and geometric parameters of the tool were considered through the mathematical model The influence of process parameter as the basis for the qualitative determination of the optimal parameters affecting on the cutting force is investigated Keywords: beveling machine, sheet metal beveling machine, chamfering machine, disk-shaped cutter, modelling cutting force, cutting tool Trang 180 ... Q TRÌNH VÁT MÉP BẰNG DAO ĐĨA Trong đó: - Cp số lực cắt; xp, yp, zp số mũ; Kp hệ số điều chỉnh xác định từ thực nghiệm cắt gọt Trong cắt gọt kim loại, yếu tố cắt gọt ảnh hưởng đến độ lớn lực cắt. .. lực cắt sinh có tác dụng thực q trình bào Việc xác định lực cắt tảng cho nghiên cứu xác định dao với biên dạng cắt cưa lực cắt có chiều xác định chiều với hướng vận tốc cắt Các thông số chế độ cắt. .. vận tốc cắt (Hình 6a), q trình làm ảnh hưởng nhiều đến q trình hình thành lực cắt Khi mơ tính tốn lực cắt, ta giả định dao đứng yên chi tiết thực chuyển động tịnh tiến để thực trình vát mép Như