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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP 000 - THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT 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 ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS Phan Quang Thế Nguyễn Khánh Toàn Thái Nguyên, 2011 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết có luận văn thân thực hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Phan Quang Thế Ngoài phần tài liệu tham khảo liệt kê, kết số liệu thực nghiệm thực chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, tháng 10 năm 2011 Người thực Nguyễn Khánh Tồn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Lời xin cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Hiệu trưởng Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp, thầy hướng dẫn khoa học định hướng đề tài, hướng dẫn tận tình thầy việc tiếp cận khai thác tài liệu tham khảo bảo thầy trình tơi làm thực nghiệm viết luận văn Tơi muốn bày tỏ lòng biết ơn Ban lãnh đạo khoa Sau đại học Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn giáo Nguyễn Thị Quốc Dung – Phó trưởng khoa Cơ khí Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho mượn thiết bị dùng cho thí nghiệm xưởng sản xuất Tơi muốn cảm ơn cán công nhân viên Công ty YAMAHA Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tận tình cho tơi tiến hành thí nghiệm mượn thiết bị đo xưởng sản xuất Công ty Cuối tơi muốn bày tỏ lịng cảm ơn đến thầy cô giáo, bạn đồng nghiệp nơi học tập nơi công tác ủng hộ động viên tơi suốt q trình làm luận văn Tác giả Nguyễn Khánh Tồn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn iii MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học 2.2 Ý nghĩa thực tiễn Mục đích phạm vi nghiên cứu đề tài 4 Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG ĐỀ TÀI Chƣơng CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT KIM LOẠI 1.1 Qúa trình cắt tạo phoi 1.2 Lực cắt tiện thành phần lực cắt 1.3 Nhiệt cắt 10 1.3.1 Khái niệm chung 10 1.3.2 Các nguồn nhiệt cắt kim loại 13 1.3.2.1 Nhiệt sinh vùng biến dạng thứ 13 1.3.2.2 Nhiệt sinh mặt trước (QAC) 14 1.3.2.3 Nhiệt sinh mặt tiếp xúc mặt sau bề mặt gia công (QAD) 15 1.3.3 Ảnh hưởng nhiệt cắt đến trình cắt 16 1.3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt cắt đến độ xác gia cơng 16 1.3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công 17 1.3.3.3 Ảnh hưởng nhiệt cắt đến khả làm việc dao 18 1.3.4 Các phương pháp xác định nhiệt cắt 18 1.3.4.1 Xác định nhiệt cắt phương pháp đo 19 1.3.4.2 Xác định nhiệt cắt phương pháp tính tốn 25 1.3.5 Trường nhiệt độ dụng cụ cắt 31 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 nhân tố ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ dụng cụ 31 Chƣơng 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 phương pháp phần tử hữu hạn 34 2.1.2 Trình tự giải toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 35 2.1.3 Phạm vi ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn 35 2.2 Phần tử tam giác cho tốn truyền nhiệt hai chiều 37 2.3 Mơ hình tính nhiệt sinh tiện cứng 39 2.3.1 Tính nhiệt sinh vùng biến dạng thứ 39 2.3.2 Tính nhiệt sinh vùng mặt trước 40 2.3.3 Tính nhiệt vùng ma sát trượt mặt sau dụng cụ bề mặt gia công 41 2.4 Phương trình truyền nhiệt 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 mơ đun ANSYS 47 2.5.3 Sơ đồ khối giải toán kỹ thuật 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 Mơ hình thí nghiệm 50 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm 51 3.1.3.1 Máy 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 vẽ Profile nhiệt độ 55 3.2.1 Tiến hành mô phần mềm ANSYS 56 3.2.2 Sơ đồ chia lưới 58 3.2.3 Xác định trường nhiệt độ vẽ Profiles nhiệt độ 59 3.3 Phân tích kết 62 Chƣơng : KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI 63 Kết luận chung luận văn 63 Hướng nghiên cứu đề tài 63 Tài liệu tham khảo 65 Phụ lục Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT PCBN: Polycrystal Cubic Boron Nitride CBN: Cubic Boron Nitride PPPTHH: Phương pháp phần tử hữu hạn PTVPTP: Phương trình vi phân tồn phần PTVPRP: Phương trình vi phân riêng phần τ: Ứng suất tiếp giới hạn thực bề mặt tiếp xúc σ: Ứng suất pháp bề mặt tiếp xúc A: Diện tích tiếp xúc danh nghĩa hai bề mặt B: Hằng số đặc trưng cho tính chất tiếp xúc vật liệu σx: Ứng suất pháp bề mặt trước dụng cụ cắt τx: Ứng suất tiếp bề mặt trước dụng cụ cắt μ: Hệ số ma sát vùng ma sát thông thường mặt trước l: Chiều dài tiếp xúc phoi mặt trước Vc: Vận tốc cắt a1: Chiều dày phoi trước biến dạng a2: Chiều dày phoi sau cắt t1: Chiều sâu cắt tiện cứng t2: Chiều sâu cắt sau biến dạng γ: Góc trước α: Góc sau τs: Ứng suất tiếp giới hạn cáclớp phoi tiếp xúc V(x): Vận tốc lớp phoi mặt trước Vp: Vận tốc khối phoi b: Chiều rộng cắt σAB: Ứng suất pháp tuyến mặt phẳng trượt Fc: Lực cắt theo phương vận tốc cắt Ft: Lực cắt theo phương vng góc với vận tốc cắt Fs: Lực tác dụng mặt phẳng trượt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn vii As: Diện tích vùng mặt phẳng trượt Vs: Vận tốc tách phoi theo phương mặt phẳng trượt VLGC: Vật liệu gia công VLDC: Vật liệu dụng cụ θ: Góc mặt phẳng trượt hợp lực R mặt phẳng trượt Q: Tổng nhiệt sinh trình cắt QAB = Q1: Nhiệt sinh mặt phẳng trượt QAC = Q2: Nhiệt sinh mặt trước QAD = Q3: Nhiệt sinh mặt sau Qphoi: Nhiệt truyền vào phoi Qphôi: Nhiệt truyền vào phôi Qdao: Nhiệt truyền vào dao Qmt: Nhiệt truyền vào môi trường xung quanh ρ: Trọng lượng riêng vật liệu C: Nhiệt dung riêng β: Hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi q2: Tốc độ sinh nhiệt mặt trước q21: Tốc độ sinh nhiệt mặt trước ma sát phoi với mặt trước q22: Tốc độ sinh nhiệt mặt trước biến dạng dẻo lớp phoi sát mặt trước δt: Chiều dày vùng biến dạng thứ hai K: Hệ số dẫn nhiệt q3: Tốc độ sinh nhiệt riêng mặt sau s: Lượng chạy dao Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 - Sơ đồ miền tạo phoi Hình 1.2 - Miền tạo phoi Hình 1.3 - Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác Hình 1.4 - Sơ đồ Tính góc trượt (góc cắt) Hình 1.5 - Quá trình hình thành phoi tiện cứng Hình 1.6 - Sơ đồ nguồn gốc lực cắt 10 Hình 1.7 - Sơ đồ ba nguồn nhiệt sơ đồ truyền nhiệt cắt kim loại 12 Hình 1.8 - Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phơi, dao mơi trường 13 Hình 1.9 - Đường cong thực nghiệm xác định tỷ lệ nhiệt truyền vào phơi 14 Hình 1.10 - Sơ đồ phân bố ứng suất mặt sau mịn 16 Hình 1.11 - Dụng cụ nhiệt độ 19 Hình 1.12 - Cặp ngẫu nhiệt (pin nhiệt điện) 20 Hình 1.13 - Sơ đồ đo nhiệt cắt pin nhân tạo 21 Hình 1.15 - Đo nhiệt cắt pin bán nhân tạo 22 Hình 1.16 - Đo nhiệt cắt pin tự nhiên dao 22 Hình 1.17 - Hiện tượng ngẫu nhiệt ký sinh 22 Hình 1.18 - Đo nhiệt cắt pin tự nhiên 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 tế bào quang 24 Hình 1.21 - Phương pháp chụp ảnh 24 Hình 1.22 - Phương pháp đo nhiệt lazer 24 Hình 1.23 - Trường nhiệt độ dụng cụ 26 Hình 1.24 - Trường nhiệt độ chi tiết 26 Hình 1.25 - Phân bố nhiệt mặt trước dao 26 Hình 1.26 - Phân bố nhiệt mặt sau dao 26 Hình 1.27 - Quan hệ θ v 28 Hình 1.28 - Quan hệ chiều dày cắt 29 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ix Hình 1.29 - Quan hệ nhiệt cắt 30 Hình 2.1 - Phần tử tam giác cho tốn truyền nhiệt 37 Hình 2.2 - Sơ đồ cắt mơ hình tiện cứng 39 Hình 2.3 - Sơ đồ khối giải tốn kỹ thuật phần mềm ANSYS 48 Hình 3.1 - Mơ 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 - Phơi thép 9CrSi qua nhiệt luyện 52 Hình 3.6 - Thiết bị đo nhiệt Ti32 53 Hình 3.7 - Nhiệt độ đo gia cơng 54 Hình 3.8 - Mặt khảo sát để xác định trường nhiệt độ mảnh CBN 55 Hình 3.9 - Sơ đồ chia lưới mảnh CBN 58 Hình 3.10 - Profile trường nhiệt mảnh dao nhiệt độ số nút 60 Hình 3.11- Vùng có nhiệt độ 508.70C 61 Hình 3.12- Vùng có nhiệt độ 3060C 61 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ... 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 Mơ hình thí nghiệm. .. nhau) nhiệt độ vật môi trường thời điểm τ gọi trường nhiệt độ Như vậy, trường nhiệt độ phụ thuộc vào không gian thời gian 1.3.5.1 Phƣơng pháp thực nghiệm xác định trƣờng nhiệt độ dụng cụ Phương pháp. .. -33thẩm nhiệt phơi cao dao nhỏ nhiệt độ sinh dao thấp Các nghiên cứu chiều dày lớp phủ ảnh hưởng không đáng kể đến phát triển nhiệt độ dao Vai trò lớp phủ việc giảm nhiệt độ phân bố nhiệt độ phụ