Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt khi gia công trên máy tiện CNC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGNGUYỄN LÊ MINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾN NHIỆT CẮT KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 60.52.0103 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ K

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN LÊ MINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾN NHIỆT CẮT

KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 60.52.0103

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS TRẦN XUÂN TÙY

Phản biện 1: TS Lưu Đức Bình

Phản biện 2: PGS.TS Phạm Đăng Phước

Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật cơ khí họp tại trường Đại học Bách khoa vào ngày29 tháng 07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách kho a

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Ngày nay việc sử dụng máy CNC trong sản xuất đã ngày một phổbiến Việc nâng cao hiệu quả kinh tế và năng suất của máy CNC đãtrở thành một vấn đề thiết yếu Vì vậy nghiên cứu phương pháp tăngtuổi bền của dụng cụ cắt(DCC), độ chính xác và chất lượng bề mặtgia công là một trong những yếu tố nhằm tăng cao năng suất và hiệuquả kinh tế của máy CNC trong quá trình gia công, sản xuất

Thực tế cho thấy rằng nhiệt cắt là một trong những nhân tố ảnh

hưởng trực tiếp đến tuổi bền của dụng cụ cắt (DCC), độ chính xác

gia công, và chất lượng bề mặt gia công Nhiệt cắt thay đổi rõ rệt

dưới ảnh hưởng của 4 nhân tố chính là “ Vận tốc cắt” , “Vật liệu DCC và vật liệu gia công”, “Thông số hình học của DCC” và “Dung dịch trơn nguội”.

Nhưng dưới sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật trong

sản xuất, để giải quyết vấn đề công nghệ, khi gia công trên máy

CNC, một trong những yêu cầu quan trọng được đặt ra là “ vận tốc

cắt” cần được chú trọng, tính toán và lựa chọn hợp lý khi gia công để

đảm bảo tăng năng suất, nâng cao chất lượng, độ chính xác của chi

tiết,…

Chính vì vậy “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT

ĐẾN NHIỆT CẮT KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC” đãđược chọn làm đề t ài luận văn cao học

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm từ đó xác định quy luật ảnh hưởng của vậntốc độ cắt đến nhiệt cắt khi gia công trên máy tiện CNC EMCOCONCEPT TURN 250 tại Viện công nghệ Cơ khí và tự động hóa –

trườngĐại học Bách khoa Đà Nẵ ng

3 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến

nhiệt cắt khi gia công trên máy tiện CNC EMCO CONCEPT TURN

250 tại Viện công nghệ Cơ khí và Tự động hóa - trường Đại học

Bách khoa Đà Nẵng

Nội đung nghiên c ứu: Nghiên cứu lý thuyết cơ sở cắt gọt kim loại và

nhiệt cắt

Nghiên cứu cở sở công nghệ gia công trên máy tiện CNC Tìm hiểumáy tiện CNC TURN 250 tại Viện công nghệ Cơ khí và Tự độnghóa.

Xây dựng mô hình mô tả ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt khitiện

4 Đối tượng nghiên cứu

Phương pháp gia công: Tiện mặt trụ trên máy tiện CNC TURN 250

Vật liệu gia công: Thép C 45

Phương pháp đo: Sử dụng cảm biến nhiệt độ đo bức xạ

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm.Trong đó có nghiên cứu lý thuyết cơ sở cắt gọt kim loại, cơ sở kỹ

thuật máy CNC và nhiệt cắt

Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt khitiện trên máy CNC thông qua đo đạc và xử lý số liệu bằng phươngpháp quy hoạch thực nghiệm

6 Dự kiến kết quả đạt được và hướng phát triển

Dự kiến kết quả đạt được:

- Phần mêm công cụ dùng để thiết lập công thức và vẽ đ ồ thị

từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm

- Công thức ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

- Cho ra thông số vận tốc cắt phù hợp với yêu cầu gia công

Hướng phát triển:

- Mở rộng nghiên cứu với những nhân tố khác ảnh hưởng đếnnhiệt cắt như tốc độ tiến dao, vật liệu gia công

- Nghiên cứu ảnh hưởng đến mòn dao và tuổi bền dao

- Lập công thức thực nghiệm tổng quát cho nhiệt cắt và cácyếu tố ảnh hưởng

7 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2. Bản chất vật lý của quá trình cắt

1.2.1.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, rungđộng, biến cứng, biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnhhưởng rất lớn đến công tiêu hao trong quá trình cắt gọt, độ mòn của

dụng cụ cắt, chất lượng của chi tiết gia công

1.2.2.Quá trình cắt và tạo phoi

Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi

Hình 1.2: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau

1.2.3.Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện

1.3. Nhiệt cắt

1.3.1.Khái niệm chung

Hình 1.3: Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường

phụ thuộc vào vận tốc cắt [6]

1.3.2.Trường nhiệt độ

Thông qua trường nhiệt độ trên phôi, dụng cụ cắt, phoi ta

biết được vùng nào có nhiệt độ lớn nhất, biết được ảnh hưởng củanhiệt độ đến quá trình gia công để tìm các biện pháp làm giảm nhiệt

- Trường nhiệt độ trên phoi ít có ý nghĩa

Hình 1.4: Trường nhiệt độ khi tiện

Hình 1.5: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi

-dụng cụ

1.3.3.Quá trình phát sinh nhiệt

1.3.3.1. Nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất

1.3.3.2. Nhiệt trên mặt trước (Q AC ) và trường nhiệt độ

1.3.3.3. Nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công

u = 0,26 ÷ 0,72 chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu gia

công, phương pháp gia công (θ < u < 1) thể hiện

nhiệt cắt tăng chậm hơn V)

1.3.4.Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt

Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt thường được

nghiên cứu theo 3 quan điểm:

 Theo độ chính xác gia công

 Theo chất lượng bề mặt đã gia công

 Theo khả năng cắt của dao

1.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công.

1.3.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia

1.4. Các phương pháp xác định nhiệt cắt

1.4.1.Đo nhiệt cắt thông qua đo nhiệt lượng phoi cắt.

1.4.2.Đo nhiệt cắt dựa theo nguyên lý pin nhiệt điện (cặp ngẫu

nhiệt)

1.4.2.1. Phương án pin nhân tạo (hai kim loại riêng biệt)

1.4.2.2. Phương án pin bán nhân tạo (có một kim loại ngoại lai)

1.4.2.3. Phương án pin tự nhiên

1.4.3.Đo nhiệt cắt theo nguyên lý quang học

là mảnh Nitrit Bo Đặc trưng là các mảnh CBN, chúng làm cho quátrình vật lý diễn ra trong quá trình cắt thép có độ cứng cao trở lên

đơn giản hơn, thậm chí hầu hết không cần tới dung dịch trơn nguội.Tuy nhiên người ta cố gắng chế tạo vật liệu dao, kết cấu mảnh, thông

số hình học, … phù hợp nhất để giải phóng càng nhiều nhiệt cắt khỏivùng cắt càng có lợi cho tiện

Phân vùng nhiệt và sự phân bố nhiệt độ tăng trong lát mỏng dichuyển cũng như trong công cụ cố định do nguồn nhiệt ma sát tạigiao diện lát mỏng công cụ trong việc cắt kim loại được xác địnhbằng phương pháp phân tích chức năng Một mô hình phân tích đượcphát triển kết hợp hai sửa đổi cho các giải pháp cổ điển khâu dichuyển của Jaeger (1942) (cho lát mỏng) và các nguồn nhiệt tĩnh

điện cố định cho các ứng dụng cắt kim loại Hơn nữa, sự phân bố

nhiệt độ tăng trong việc cắt kim loại do hiệu ứng kết hợp của n guồnnhiệt mặt phẳng cắt trong khu vực cắt chính và nguồn nhiệt ma sát ở

giao diện lát mỏng công cụ Các chương trình MATLAB được phát

triển cho phương trình của mô hình phân tích, làm giảm thời giantính toán

Các nghiên cứu về các lĩnh vực nhiệt độ trong gia công là rấtquan trọng cho sự phát triển của công nghệ mới nhằm tăng tuổi thọcủa dụng cụ và giảm chi phí sản xuất Xác định nhiệt độ tối đa trongquá trình gia công và phân bố của nó dọc theo bề mặt cào có tầmquan trọng rất lớn vì nó ảnh hưởng đến tuổi thọ của dụng cụ và chất

lượng của một bộ phận gia công Vì vậy, công việc hiện tại là tập

trung vào sự phát triển của mô hình nhiệt của quá trình cắt kim loại

CHƯƠNG 2:PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp kết hợp

giữa lý thuyết và thực nghiệm Sử dụng phương pháp “Quy hoạchthực nghiệm” kết hợp với phần mềm MATLAP để tìm phương trình

ảnh hưởng của “ vận tốc cắt đến nhiệt cắt” khi gia công trên may tiện

CNC

2.1. Quy hoạch thực nghiệm

2.1.1.Khái niệm cơ bản về quy hoạch thực nghiệm

2.1.1.1. Định nghĩa

2.1.2.Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm

Các nguyên tác cơ bản của QHTN được thiết lập nhằm nâng cao

tính hiệu quả của nghiên cứu thực nghiệm, nhận tối đa thông tin với

số thí nghiệm tối thiểu

2.1.2.1. Nguyên tắc không lấy toàn bộ các trạng thái đầu vào

2.1.2.2. Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học

2.1.2.3. Nguyên tức đối chứng nhiễu

2.1.2.4. Nguyên tắc ngẫu nhiên

2.1.3.Trình tự thực hiện thiết kế thực nghiệm

2.1.4.Đại lượng ngẫu nghiên

2.1.5.Xác định mô hình toán thực nghiệm

2.1.5.1. Khái niệm về chọn mô hình toán thực nghiệm

2.1.5.2. Xác định các tham số trong mô hình toán

a) Phương trình hồi quy bậc 1 (tuyến tính) một biến

b) Phương trình hồi quy bậc 2

c) Phương trình hồi quy nhiều biến

2.1.6.Kiểm tra mô hình toán thực nghiệm

2.1.6.1. Kiểm tra ý nghĩa cá tham số của mô hình toán

a) Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai

b) Tính phương sai tái sinh

c) Kiểm ta ý nghĩa của các tham số

2.1.6.2. Kiểm tra sự tương thích của mô hình toán

a) Tính phương sai dư

b) Kiểm tra tính tương thích của mô hình toán

2.2. Phần mềm MATLAP

2.2.1.Giới thiệu MATLAB

Matlab là một công cụ lập trình rất mạnh cho các tính toán khoahọc Đây là một sản phẩm của hãng Mathwork Sử dụng Matlab rấtthuận tiện trong các bài toán kỹ thuật phức tạp Matlab bao gồm cáchàm xây dựng trong các trình biê n dịch và có trong các m-file, mỗihàm chứa một dãy câu lệnh để thực hiện một thuật toán nào đó Đểthực hiện một thuật toán mới hoàn toàn, ta có thể viết một chươngtrình chỉ gồm vài hàm Matlab rồi lưu trong một m -file khác

2.2.1.1. Biểu diễn con số và số liệu

2.2.2.Đa thức trong MATLAP

2.2.2.1. Các hàm xử lý đa thức

polyval Tính trị của đa thức

polyvalm Tính trị của ma trận đa thức

2.2.2.2. Xấp xỉ đa thức

2.2.3.Nội suy

2.2.3.1. Nội suy hàm một biến

a) Nội suy đa thức

b) Nội suy FFT:

2.2.3.2. Nội suy hàm hai biến

2.2.3.3. Nội suy hàm nhiều biến

2.3. Kết luận

Thông qua “ Quy hoạch thực nghiệm” ta tìm phương trình hồi quy

bằng phương pháp bình phương bé nhất Dựa vào phần mềm Matlap

để nhanh chóng tìm được phương trình hồi quy chính xác và vẽ đồ

thị thể hiện “ Ảnh hưởng của vân tốc cắt đến nhiệt cắt khi gia công

trên máy tiện CNC ”

CHƯƠNG 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Bảng 3.1 – Thông số máy Emco Concept Turn 250

Đường kính giới hạn gia công [mm] Ø85

Đường kính lớn nhất của lỗ [mm] Ø25.5Khoảng cách từ trục chính đến tâm

Chiều cao từ tâm trục chính đến sàn [mm] 1130

Ý nghĩa các thông số của mảnh dao theo tiêu chuẩn ISO (tra theocatalog: HHW_Katalog_2010_eng, trang 18.2):

C C M T 09 T3 04 - WP HC6620

- C : ký hiệu hình dạng mảnh dao, hình thoi, góc ở đỉnh là

800

- C : góc sau mảnh dao, có độ lớn là 70

- M : ký hiệu cấp độ dung sai chế tạo

- T : kiểu thoát phoi của mảnh dao

HC6620: quy định chất lượng của hãng, nằm trong khoảng P10 -P30.Đây là loại hợp kim cứng không phủ, có thành phần Vonfram và

Coban, có thêm phụ gia TiC và TaC để tăng độ bền n hiệt và chốngmài mòn

lò Điều này sẽ tạo độ cứng Brinell tối đa207.

Thường hóa Bình thường hóa nhiệt độ: 840-880oC / khôngkhí

làm nguội bằng nước hoặc dầu

Ủ nhiệt độ: 550-660oC / không khí

3.1.3.4. Thiết bị đo nhiệt cắt

Sử dụng bộ thiết bị đo “Turning Dynamometer DKM 2010” và “

Temperature measurement on tool tip : "TAD" ” của hãng TeLC

Hình 3.6: Thiết bị đo nhiệt trên đầu dụng cụ

Thông số kỹ thuật: Khoảng cách tới đầu công cụ: 100mm (4 "),

điều chỉnh chính xác đạt được bằng đèn báo

Phạm vi đo: 300-800 ° C (570 ° F - 1472 ° F)

Thời gian đáp ứng: không đáng kể

Thiết kế: Thiết bị được thiết kế riêng với hộp dụng cụ

Thiết bị có kết nối bằng cơ và dữ liệu với bộthiết bị đo hoàn chỉnh bằng một đầu cắm củacáp kết nối

Hình 3.7: Cáp kết nối

Màn hình hiển thị: Màn hình hiển thị được thiết kế với các lớp

sơn lót để chống lại dung dịch làm mát Nó

hiển thị lực cắt, nhiệt độ đỉnh của dụng cụ vàtiến độ mài mòn hiện tại trên màn hìnhdotmatrix 2x16 ký tự

Hình 3.8: Màn hình hiển thị

Tự động lưu: Chức năng này cung cấp việc thu thập dữ

liệu thủ công nhanh bằng cách đọc dữ liệu từmàn hình nội bộ hoặc màn hình bên ngoài

3.2. Trình tự thí nghiệm

Phôi thép C45 sau khi được tiện thô bằng mảnh dao hợp kimcứng đảm bảo độ côn không vượt quá 0,05 mm/ 100 mm chiều dài

phôi Sau đó sử dụng mảnh dao PCBN tiện tinh qua một lượt trước

khi tiến hành thí nghiệm và trước mỗi lần thay mảnh dao mới

Hình 3.9: Lắp thiết bị đo và hiệu chỉnh mũi dao vào phạm vi đo

Hình 3.10: Hiệu chỉnh tiêu cự của thiết bị đo dựa vào đèn báo

- Đánh số thứ tự các phôi từ số 1 đến số 5

- Gá phôi vào mâm cặp sao cho đảm bảo độ đồng tâm cao

- Gá phôi số 1 vào mâm cặp, kẹp chặt, chọn điểm chuẩn phôi, dao vànhập chế độ cắt theo thứ tự thí nghiệm thứ 1 trên màn hình điềukhiển Cho dao chạy hết chiều dài ứng với lần cắt thứ nhất là:

L1= L0= 20 mm

- Lui dao về vị trí ban đầu, dừng máy, thay đổi số vòng quay trục

chính tương ứng với Vccủa thí nghiệm thứ 2 Cho dao chạy hết chiềudài ứng với lần cắt thứ 2 là:

L2= 2L0= 40mm

- Tương tự với các lần tiếp theo, với số vòng quay được chọn trongmục chọn chế độ cắt chiều dài một lần cắt tương ứng được tính theocông thức:

- Lấy số liệu từ máy tính

- Gá phôi số 2 vào mâm cặp, quá trình lặp lại tương tự, và tiếp tụctiến hành theo quy luật này tới phôi đánh số 5 ứ ng với 5 lần thí

Nhiệt cắt 0C

Lần1

Lần2

Lần3

Lần4

Lần5

Trungbình

4 142.942 1300 503 508 493 533 488 505

5 192.422 1750 518 518 539 523 560 531.6

3.3.2.Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai

Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai, hay tính ổn định giữa các

lần thí nghiệm đối với độ lớn của nhiệt cắt

Lần3

Lần4

Lần542.8877 361 343 379 360 379 364.4 915.20 228.8072.5707 460 446 446 455 428 447 596.00 149.00103.358 488 478 503 473 477 483.8 582.80 145.70142.942 503 508 493 533 488 505 1230.00 307.50192.422 518 518 539 523 560 531.6 1305.20 326.30

Hệ số Cochran được tính theo công thức:

2 max

   Tiêu chuẩn Cochran tra bảng

Nhập kết quả đo được vào excel sử dụng phương pháp hồi quy để lập

phương trình ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

Phương trình có dạng hàm mũ:

axb

y 

Hình 3.11: Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

3.5. Xây dựng công cụ hỗ trợ vẽ đồ thị và thiết lập công thức

Sử dụng tool box trong phần mềm Matlab để xây dựng một công cụ

hỗ trợ sau khi thu thập số liệu thực nhiệm về ảnh hưởng của vận tốccắt đến nhiệt cắt Nhập số liệu vào excel để lư trữ và tính toán

Hình 3.12: Nhập kết quả vào excel

Khởi động phần mềm đã được viết trong Matlab

Hình 3.13: Phần mềm công cụ hỗ trợ xác định hàm mục tiêu của mô

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

Nhiệt cắt là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến mòn dao - tuổibền dụng cụ cắt, ngoài ra nhiệt cắt còn ảnh hưởng đế n độ chính xácgia công, chất lượng bề mặt và cơ tính của chi tiết sau gia công Việcnghiên cứu về nhiệt cắt là rất cần thiết để đưa ra khoảng nhiệt độthích hợp khi gia công nhằm tăng tuổi bền dụng cụ cắt mà vẫn đảmbảo độ chính xác, chất lượng và cơ tính bề mặt gia công qua đó tăng

cao năng suất và hiệu quả kinh tế

Với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

khi gia công trên máy tiện CNC” tác giả đã thực hiện và thu được

kết quả là:

Thực hiện đo nhiệt cắt trong quá trình gia công trên máy CNC 3 trục

EMCO concept turn 250 tại “Viện công nghệ cơ khí và tự động

hóa” với phoi thép C45 có kích thước D = 35mm, L = 150 mm Chế

R 

Sử dụng phần mềm Matlab để lập phương trình và vẽ đồ thị thể hiện

ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

Từ đó lập bảng tham khảo vận tốc cắt và nhiệt cắt của thép C45

VC 52.04065 135.7246 240 297.039

Vậy khi tiện thép C45 bằng mảnh hợp kim trên máy tiện CNC ta nênchọn Vctrong khoảng từ 135 đến 240 để nhiệt cắt nằm trong khoảng

5000- 5400C Đây là nhiệt độ nằm trong khoảng Ram của thép C45

để giảm giòn và ứng suất dư bên trong, tuy độ cứng giảm nhưng lạiđạt được sự kết hợp tốt hơn của các tiêu chí: độ bền, độ dẻo, độ dai…

2 Hướng phát triển đề tài

Kết hợp nghiên cứu dựa trên sự thay đổi của nhiều yếu tố trong chế

độ cắt như : vận tốc cắt, tốc độ tiến dao, chiều sâu cắt … đến nhiệt

cắt để cho ra phương trình nhiệt cắt tổng quát hơn