Quá trình tạo phoi

- Danh mục các hình vẽ và đồ thị

2.3. Quá trình tạo phoi

Quá trình cắt là quá trình dao tác dụng vào vật gia c ng một lực làm cho kim loại biến dạng và tách ra khỏi ph i tạo thành phoi. Quá trình đó có thể tổng quát hoá theo sơ đồ sau:

Nguyên nhân Quá trình Kết quả Hình 2.9. Sơ đồ quá trình hình thành phoi

ực tác dụng sinh ra do sự tƣơng tác giữa dụng cụ cắt và ph i. ối với phƣơng pháp phay thì sự tƣơng tác đó là chuyển động quay của dụng cụ cắt và sự cản trở lại chuyển động quay đó của dụng cụ cắt do chi tiết thực hiện (chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay do chi tiết thực hiện). hƣ vậy, lực tác dụng phải đủ lớn để tạo ra trong kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu gia c ng (khả

Tác dụng lực

Kim loại biến dạng, (các hiện tƣợng cơ, lý, hoá xảy ra)

Tách ra khỏi vật gia c ng tạo thành phoi

Tạo ra bề mặt cần gia công

n ng liên kết giữa các tinh thể kim loại), đồng thời phải thắng đƣợc lực cản do ma sát trong quá trình gia c ng bao gồm:

- a sát giữa các tinh thể kim loại khi trƣợt lên nhau - a sát giữa phoi và dao trong quá trình ra phoi - a sát giữa dao và vật gia c ng

ghiên cứu về quá trình cắt nói chung và quá trình biến dạng trong vùng cắt nói riêng đã đƣợc nhiều tác giả nhƣ K. . Zơv ruwkin (1861-1928); Usachep (1873- 1941); Ivan Avgustovich (1838-1920)

nghiên cứu với nhiều cách tiếp cận trong điều kiện nghiên cứu khác nhau và phân tích bản chất vùng cắt thuần tuý về mặt cơ học, vật lý ... ác nghiên cứu đó đã đƣợc giới thiệu trong rất nhiều giáo trình về cắt gọt kim loại. hƣng cũng có tác giả nhƣ Turkovich Von; Kronenberg . đã phân

tích vùng cắt và coi đó nhƣ bài toán trong lý thuyết cơ học các m i trƣờng liên tục. Tất cả các nghiên cứu đó đều nhằm mục đích tìm hiểu diễn biến xảy ra tại vùng cắt trong quá trình cắt. Xem xét diễn biến xảy ra trong vùng cắt thì thấy rằng khi có lực tác dụng vào vật, kim loại trải qua một quá trình biến dạng là biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến dạng phá huỷ. Trƣớc tiên là các tinh thể kim loại bị dồn ép (nén), khi lực tác dụng vƣợt quá giới hạn bền của vật liệu thì các tinh thể kim loại bị trƣợt lên nhau và tách ra khỏi vật gia c ng tạo thành phoi. Quá trình biến dạng đó xảy ra trong một vùng mà ta có thể gọi là vùng tạo phoi. (giới hạn bởi đƣờng cong OA, OE - hình 2.10). Trong vùng này có những mặt trƣợt , B, , OD, OE. Vật liệu gia c ng trƣợt theo những mặt đó, các tinh thể kim loại bị xếp chồng lên nhau. Tuỳ theo cấu trúc của vật liệu gia c ng, chế độ cắt mà các tinh thể khi tạo thành phoi có thể ở dạng hạt, xếp hay dây (vấn đề này sẽ đƣợc đề cập cụ thể ở phần các dạng phoi).

Hình 2.10 Sự biến dạng kim loại trong vùng cắt

hƣ vậy, kết quả của biến dạng kim loại là tách ra khỏi ph i một phần vật liệu, phần còn lại chính là chi tiết gia c ng. Tuy nhiên, do vùng biến dạng của kim loại xảy ra ở cả phần vật liệu giữ lại (phía dƣới điểm ) nên bề mặt chi tiết sau khi gia c ng có tính chất khác hẳn trƣớc khi gia c ng và thƣờng có độ cứng cao hơn. Hiện tƣợng đó chính là hiện tƣợng biến cứng lớp bề mặt. goài ra trong vùng cắt còn có rất nhiều hiện tƣợng vật lý khác xảy ra mà ta sẽ nghiên cứu cụ thể ở các phần sau.

Khi cắt lƣỡi cắt của dao ( ực cắt), nó gây ra một sự thay đổi cơ lý tại vùng cắt của vật liệu.

- ầu tiên dƣới tác dụng của lực P kim loại bị nén và biến dạng đàn hồi.

- Dao tiến sâu vào (lực P càng lớn) gây nên ứng suất bên trong kim loại lớn hơn giới hạn đàn hồi do đó kim loại bắt đầu bị biến dạng dẻo (các phần từ bên trong kim loại bắt đầu bị trƣợt theo mặt trƣợt và phƣơng trƣợt)

- Do biến dạng các tinh thể trên phƣơng này bị kéo dài thành hình elíp (góc của mặt trƣợt so với phƣơng của lực cắt là 1)

- Khi dao tiếp tục tiến thêm => áp lực gia t ng làm ứng suất t ng vƣợt quá giới hạn bền kim loại biến dạng lớn và bắt đầu bị phá hủy.

Hình 2.11 Các góc phoi

Trên phần kim loại của ph i ở mặt trƣớc dao xuất hiện các vết nứt theo góc hủy

2 (2 1).

- Khi dao tiếp tục tiến, phoi bị cắt sẽ trƣợt trên mặt trƣớc của dao, còn dao tiếp tục ép lên các phần tử kim loại tiếp theo.

* Các dạng phoi cắt:

húng ta có thể c n cứ vào sự hình thành phoi cắt mà đánh giá đƣợc các th ng số của dụng cụ cắt, các yếu tố chế độ cắt đƣợc hợp lý hay chƣa, mức độ tiêu hao n ng lƣợng nhiều hay ít, chất lƣợng bế mặt gia c ng có đảm bảo hay kh ng..

- ó các dạng phoi cắt sau đây:

*Phoi vụn: phoi cắt ra là những hạt nhỏ rời rạc có hình dáng và kích thƣớc khác nhau. Phoi vụn thƣờng gặp khi gia c ng vật liệu giòn hay cắt với vận tốc thấp hay khi gia c ng các vật liệu cứng ở tốc độ lớn thích hợp.

Sự hình thành phoi kh ng liên tục (phoi vụn) làm lực cắt thay đổi gây ra va đập, rung động ... chất lƣợng bề mặt xấu đi, nhiệt và lực chỉ tập trung ở mũi dao.

*Phoi xếp: mặt phoi tiếp xúc với mặt trƣớc của dao thì nhẵn bóng mặt đối diện với nó có những nếp gợn (nứt nẻ), phoi bị đứt ra thành từng mảnh hoặc từng đoạn ngắn. Dạng phoi này thƣờng xuất hiện khi cắt vật liệu dẻo vừa, (vận tốc cắt, lƣợng chạy dao trung bình và dao có góc trƣớc γ lớn). Khi cắt ra phoi xếp thì bề mặt gia c ng nhẵn bóng hơn.

Hình 2.12 Các dạng phoi cắt

*Phoi dây: thƣờng gặp khi cắt vật liệu dẻo hoặc khi cắt với vận tốc cao, góc độ mài mòn hợp lý. Phoi có dạng dây dài – xoắn (phoi tiếp xúc với mặt trƣớc của dao nhẵn bóng, mặt còn lại gợn nứt). phoi dây vẫn còn khả n ng biến dạng dẻo.

do có phoi dây mà lực cắt thay đổi rất ít, tiêu hao n ng lƣợng giảm, chất lƣợng bề mặt gia c ng càng tốt. ần chú ý rằng ngay cùng vật liệu gia c ng nhƣng tùy theo điều kiện cắt gọt, th ng số hình học của dao, chế độ cắt, ... có thể cho ta phoi vụn, phoi xếp hoặc dây. Vì vậy từ chỗ quan sát phoi khi cắt ngƣời thợ có thể phán đoán nguyên nhân để có những điều chỉnh kịp thời.

2.4. Mô hình lực cắt khi phay tốc độ cao 2.4.1. Các thông số quỹ đạo cắt

Khi dao vừa quay vừa chuyển động tính tiến, dao cắt có quỹ đạo chuyển động theo các đƣờng xycloit, sẽ cắt tạo ra các lớp cắt có chiều dày khác nhau. Tuy nhiên

do chuyển động tịnh tiến khá nhỏ so với chuyển động quay nên ta có thể coi dao cắt chuyển động theo các cung tròn.

Hình 2.13 Phương trình đường xicloit (trên) và phương trình xấp xỉ bằng đường tròn (dưới)

Hình 2.14 Lượng chạy dao khi phay

Theo hình 2.14, fz gọi là lƣợng chạy dao r ng. Giả sử rằng đƣờng kính của dao lớn hơn nhiều so với lƣợng chạy dao thì chiều dày của kim loại bị hớt đi bởi một r ng đƣợc giả thiết nhƣ là vùng nhỏ giữa hai cung tròn. Gọi  là vị trí dao cắt so với phƣơng đứng thì khi đó chiều dày phoi hƣớng kính có thể đƣợc xấp xỉ nhƣ sau:

sin( )

z

h f  (2.1)

Ở đây fz gọi là lƣợng chạy dao r ng có đơn vị mm/r ng chỉ lƣợng tiến dao khi dao quay đƣợc 1 r ng và đƣợc tính bằng c ng thức



ft sin



Hƣớng chuyển động của dao f t

z t f f N   (2.2) f: lƣợng tiến dao (mm/phút)

 : vận tốc vòng quay của dao (vòng/phút) Nt: số r ng của dao

Trong c ng thức tính chiều dày phoi thì dao cắt phải cắt vào ph i hay góc xác định vị trí của dao nằm trong khoảng giới hạn [st tar,exit] đƣợc tính bởi c ng thức:

0 cos(1 2* / ) start exit arc a D     }cho trƣờng hợp phay nghịch (2.3) cos(2* / 1) 0 start exit arc a D    

 }cho trƣờng hợp phay thuận (2.4)

Trong đó, start là góc dao vào; exit là góc dao ra; a là chiều sâu cắt; D là đƣờng kính dao phay

Trong quá trình phay, kim loại bị cắt gọt từ ph i do sự kết hợp chuyển động quay của dao và chuyển động ngang của dụng cụ vào ph i. Trong gia c ng phay có 2 dạng chuyển động phay chính: phay thuận và phay nghịch (hình 2.15).

Hình 2.15 Góc dao vào, góc dao ra trong phay nghịch (a) và phay thuận (b) 2.4.2. Nghiên cứu hệ thống lực cắt khi phay tốc độ cao

Quy luật phân bố lực cắt khi phay tốc độ cao khá phức tạp. Khi phay diện tích cắt thay đổi làm cho lực cắt thay đổi. ộ lớn của lực phụ thuộc vào số r ng dao tham gia cắt gọt và diện tích cắt tức thời. ực phay tổng cộng là tất cả các lực tác dụng lên r ng dao phay.

a) b)

Hình 2.16 Lực cắt khi phay cao tốc: a) phay nghịch; b) phay thuận

o Ft: ực tiếp tuyến (lực cắt chính) hay còn gọi là lực vòng, tạo ra m men

xoắn cản lại chuyển động chính, làm tiêu hao c ng suất máy. Khi thiết kế, ngƣời ta tính toán động lực máy theo Ft. Phản lực Ft làm xoắn và làm cong trục dao.

o Fr: ực hƣớng kính tác dụng vu ng góc với phƣơng trục chính của máy phay có xu hƣớng đẩy chi tiết ra khỏi dao phay theo hƣớng kính (phay nghịch), có xu hƣớng đè chi tiết xuống bàn máy (phay thuận). ực này có xu hƣớng làm võng trục dao, đồng thời qua đó nó tạo ra một áp lực lên các ổ trục chính, do đó gây ra momen ma sát trên ổ. Khi tính toán sức bền trục gá dao cũng nhƣ tính toán ổ trục chính thì lực này là một yếu tố quan trọng để tính toán tải trọng phức tạp (độ cong của lực hƣớng kính và độ xoắn của lực tiếp tuyến) xu hƣớng làm võng trục dao, đẩy dao khỏi bề mặt gia c ng, gây rung động...

o Fz: ực chiều trục làm xê dịch các chi tiết theo trục dao phay và phản lực của nó có chiều hƣớng dịch dao phay theo ổ trục.

Thƣờng các lực Ft, Fr, Fz kh ng thuần nhất phụ thuộc vào điều kiện gia c ng cụ thể mà chúng thay đổi theo th ng số hình học của dao, vật liệu gia c ng, chiều dày cắt, số r ng dao tham gia cắt đồng thời…

Mô hình hóa lực cắt khi phay đƣợc thực hiện nhƣ sau.

hình đƣợc sử dụng trong luận v n là một m hình 2 bậc tự do theo truc x và y gắn vào dụng cụ cắt nhƣ hình 2.17. Trong quá trình phay thì lực cắt dọc trục kh ng

lớn nên ta có thể bỏ qua sẽ kh ng xét ở đây, cũng nhƣ vậy để m hình đơn giản ta kh ng xét bậc tự do gắn với ph i do ph i tƣơng đối cứng vững so với dao phay.

Hình 2.17 Mô hình quá trình phay tốc độ cao

ực cắt tiếp tuyến và lực cắt hƣớng tâm tính cho dao cắt thứ j đƣợc tính theo công thức [ ( )] . ( ). [ ( )] . ( ). tj j t p rj j r p F g t K h a F g t K h a       (2.5)

Trong đó Kt và Kr tƣơng ứng là hệ số cắt tiếp tuyến và hƣớng tâm, ap là chiều sâu cắt, h() là chiều dày của phoi cắt, trong đó bao gồm chiều dày tĩnh (do dao chuyển động) và động (do dao rung động) và g[j(t)] là hàm tác động giữa dao và phôi. huyển vị theo phƣơng hƣớng kính và tiếp tuyến là uj và vj.

1

[ j( )] static[ j( )] dynamic[ j( )] .sin[ j( )] j j

h t h  t h  t  fz  t u u  (2.6)

trong c ng thức trên thì uj và uj-1 là độ lệch của r ng thứ j và j-1 nên ta sẽ có [ ( )] [ ( )] [ ( )]

( ) ( ) .sin[ ( )] sin[ ( )]cos[ ( )]

( ) ( ) j static j dynamic j j j j h t h t h t x t x t T fz t t t y t y t T                       (2.7)

T là chu kỳ chuyển động của r ng

Giả thiết rằng: số r ng dao phay là , vận tốc góc quay của trục chính là  thì chu kì chuyển động của r ng T đƣợc xác định bằng c ng thức:

60 . T N     (2.8)

và theo hình trên, j( )t góc vị trí tức thời của r ng thứ j đƣợc xác định bằng công

thức sau ( ) 2 2 60 j j t t N       (2.9)

gj(t) là một hàm logic phụ thuộc vào vị trí của r ng thứ j tại thời điểm t. Khi dao cắt n vào ph i (góc vị trí của dao j(t) nằm trong khoảng giữa góc n dao s và góc thoát dao e) st( )t  j( )t  ex( )t gj = 1,các trƣờng hợp khác thì gj = 0.

Từ phƣơng trình (2.5) ta chuyển lực tiếp tuyến và hƣớng tâm sang lực theo các phƣơng x và y qua một ma trận xoay hệ tọa độ

cos sin . sin cos xj tj yj rj F F F F                           (2.10)

Thay biểu thức từ phƣơng trình (2.5) và (2.7) vào (2.10), hệ lực tính cho r ng thứ j sẽ đƣợc tính theo c ng thức:

2 2

2 2

2 2

cos sin sin

[ ( )] . .

sin sin cos

sin cos sin cos sin cos ( ) ( )

[ ( )] .

( ) ( )

sin sin cos sin cos cos

xj t r j p yj t r t r t r j p t r t r F K K g t fz a F K K K K K K x t x t g t a y t y t K K K K                                                         (2.11)

ể đơn giản hóa biểu thức trên ta đặt ra các hệ số lực cắt chiếu theo các phƣơng là hxx, hxy, hyx, hyy

2

2

2

2

[ ( )].( sin cos sin ) [ ( )].( cos sin cos ) [ ( )].( sin sin cos ) [ ( )].( sin cos cos )

xx j t r xy j t r yx j t r yy j t r h g t K K h g t K K h g t K K h g t K K                           (2.12) khi đó biểu thức (2.11) sẽ rút gọn thành ( ) ( ) . . ( ) ( ) xj xx xy p yj yx yy F h h fz x t x t a F h h y t y t                           (2.13)

Vậy hệ lực tính cho r ng thứ j sẽ là vế trái ma trận lực theo phƣơng x, y còn vế phải là tích số giữa chiều sâu cắt với hệ số lực cắt chiếu theo các phƣơng với vị trí theo các phƣơng.

2.5. Hiện tượng rung động khi phay tốc độ cao 2.5.1. Khái niệm về rung động khi phay

Ngoài dao động tự do và rung động cƣỡng bức, hiện tƣợng tự rung động cũng phổ biến trong máy c ng cụ. Rung động tự kích thích là một loại rung động mà nguồn gây rung nằm bên trong hệ thống. Trong gia c ng, tự rung thƣờng cho kết quả là hiện tƣợng rung động của hệ thống. Rung động gây mất ổn định trong quá trình cắt kim loại.

Hiện tƣợng mất ổn định thể là rung động mạnh, âm thanh lớn, chất lƣợng bề mặt xấu. ó 4 loại rung động: rung động tái sinh, rung động ma sát, rung động kiểu ghép, rung động nhiệt cơ. Ở đây chúng ta chỉ đề cập đến loại rung động tái sinh do nó xảy ra phổ biến nhất. Rung động tái sinh do những nhấp nh bề mặt xếp tầng tạo ra.

Khi dụng cụ cắt tiếp xúc với ph i, do tác động của lực cắt làm dụng cụ cắt rung động và tạo nên các bề mặt nhấp nh . ƣỡi cắt sau khi cắt đến bề mặt này sẽ làm chiều sâu cắt thay đổi, làm dụng cụ cắt dao động. Tùy theo các yếu tố tác động nhƣ bề mặt cắt, dao động của dụng cụ cắt có thể làm cho rung động của dụng cụ cắt lớn