2.4.2.1. Lực cắt
2.4.2.1.1. Khái niệm về lực cắt
Trong quá trình cắt kim loại, để tách được phoi và thắng được ma sát cần phải có lực. Lực sinh ra trong quá trình cắt là động lực cần thiết nhằm thực hiện quá trình biến dạng và ma sát.
Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình cắt kim loại có ý nghĩa cả lý thuyết lẫn thực tiễn. Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng để thiết kế
dụng cụ cắt, đồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị,... Dưới tác dụng của lực và 5 ) ... ( ) ... (h1 h3 h9 h2 h4 h10 Rz= + + + + + + + ∑ = = n i i a y n R 1 1
nhiệt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ. Muồn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ
dao thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt. Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt. Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hoá lý thuyết quá trình cắt. Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng cân bằng.
Lực cắt sinh ra khi cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là hằng số mà biến đổi theo quãng đường của dụng cụ.
Theo cơ học, nghiên cứu về lực nói chung là xác định 3 yếu tố: • Điểm đặt của lực.
• Hướng (phương và chiều) tác dụng của lực. • Giá trị (độ lớn) của lực.
Quá trình cắt thực hiện được cần có lực để thắng biến dạng và ma sát, do vậy lực cắt theo định nghĩa trên có thể hiểu rằng có nguồn gốc từ quá trình biến dạng và ma sát. Biến dạng khi cắt có biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Do vậy lực sinh ra do biến dạng cũng có lực biến dạng đàn hồi Prdh
và lực biến dạng dẻo Prd
. Những lực này cùng với lực ma sát tác dụng lên dao (cụ thể trên mặt trước và mặt sau dao) và bề mặt chi tiết.
2.4.2.1.2. Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt.
Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố như chếđộ cắt v, s, t; độ cứng vững của hệ thống công nghệ; có hay không tưới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt… Ở đây ta chỉ khảo sát ảnh hưởng của chếđộ cắt đến lực cắt.
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số v, s, t đến lực cắt trong quá trình cắt. Sử dụng nguyên lý cộng tác dụng, khi nghiên cứu ảnh hưởng của một thông số nào
đó, trong thí nghiệm ta cho tất cả các yếu tố khác không thay đổi và chỉ cho yếu tố đang xét thay đổi, sau đó tổng hợp lại ta nhận được ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố xét đến lực cắt.
Vì chiều rộng cắt b = t/sinϕ có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ
khảo sát ảnh hưởng của b đến lực cắt Pv..
Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi, cho b thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng như trên đồ thị.
Từđồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng b thì lực cắt cũng tăng. Nếu như cắt với chiều dày cắt atb = 1mm thì lực cắt chính Pvđược tính bằng: . pv
v y
v p
P = C a
Hình 2.5 Ảnh hưởng của chiều rộng cắt đến lực cắt
• Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến lực cắt.
Vì chiều dày cắt a = s.sinϕ có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ
khảo sát ảnh hưởng của a (qua atb) đến lực cắt Pv.
Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi với b=1mm, cho a thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng.
Bằng cách xử lý các số liệu đo ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt và chiều rộng cắt b như sau:
Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng chiều dày cắt a thì lực cắt cũng tăng, nhưng không tăng nhiều như đối với b, vì khi tăng a sẽ tăng độ lớn của góc tách phoi dẫn đến giảm lực cắt đơn vị, mặt khác khi tăng a thì không làm tăng chiều dài làm việc thực tế của lưỡi cắt một cách tuyến tính như khi tăng chiều rộng cắt b.
Kết hợp cho thay đổi đồng thời chiều rộng cắt b và chiều dày cắt a, mối quan hệ giữa lực cắt Pv và b, a được viết như sau: . pv. pv v x y v p P = C b a Hoặc có thể viết theo s, t: ' . pv. pv v x y v p P = C t s Trong đó ta nhận thấy: v v p p x > y • Ảnh hưởng của tốc độ cắt v đến lực cắt.
Qua thực nghiệm ta thấy rằng: ở tốc độ cắt thấp mối quan hệ giữa tốc độ cắt v với lực cắt P rất phức tạp và khó xác định qui luật. Tuy nhiên khi cắt với tốc độ
phổ biến ở phạm vi tốc độ cao như ngày nay đang sử dụng thì nhận thấy rằng khi tăng tốc độ cắt v, lực cắt hầu như không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể. Do vậy đểđơn giản trong công thức tính lực cắt ta thường bỏ qua yếu tố v.
2.4.2.2. Mức độ biến dạng dẻo
Thực tế cho thấy rằng: dù dao được chế tạo từ loại vật liệu gì và mài sắc bằng cách nào thì đầu dao cũng không thể sắc nhọn lý tưởng được mà luôn luôn tồn tại một phần có bán kính ρ. Ví dụ: dao thép gió tuỳ thuộc vào điều kiện mài sắc, bán kính đầu dao tồn tại trong khoảng ρ = 10-18 µm; dao hợp kim cứng thì ρ= 18-20 µm. Mặt khác, quá trình hình thành bề mặt đã gia công là sự tiếp xúc, ma sát giữa bề mặt sau dao và bề mặt đã gia công của chi tiết khi cắt. Sự tiếp xúc này một mặt do quá trình mài mòn mặt sau của dao gây nên, mặt khác do biến dạng đàn hồi của lớp kim loại sát bề mặt đã gia công gây nên.
Hình 2.7. Quá trình ảnh hưởng của dao cắt đến bề mặt chi tiết
Ta hãy khảo sát khả năng dịch chuyển của 3 phần tử kim loại O, O1 và O2 trong quá trình cắt.
1. Phương trượt của hạt kim loại tạo với áp lực pháp tuyến lên phần tử kim loại
đó một góc ψ.
2. Tại O (phân tử kim loại O) có phương trượt vc // v.
3. Tại O1 (phần tử kim loại O1) có phương trượt hướng về phía phoi, do đó có khả năng trượt để thành phoi.
4. Tại O2 (phần tử kim loại O2) có phương trượt hướng về phía chi tiết gia công. Do đó sự trượt bị chặn lại - không thể thành phoi cắt.
Từ những nhận xét trên cho ta rút ra kết luận rất quan trọng như sau:
Khi cắt, những phần tử kim loại trên trên lớp cắt có chiều dày a nằm trên mặt OF sẽ bị trượt và tạo thành phoi; những phần tử kim loại nằm trước mặt OF sẽ bị đầu dao nén ép để tạo thành bề mặt đã gia công của chi tiết. Lớp kim loại bị nén ép
đó có chiều dày ∆a. Lớp kim loại ∆a bị biến dạng dưới sức ép của đầu dao và mặt sau dao. Sự biến dạng của lớp kim loại ∆a xảy ra cả biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi. Do biến dạng đàn hồi nên khi ra khỏi mặt sau dao một phần của lớp kim loại
Hình 2.8. Sự biến dạng dẻo trong cắt gọt
Phân tích trạng thái ứng lực của các phần tử kim loại trong khu vực bị chèn ép ta thấy: các phần tử kim loại nằm trong vùng từ O đến O3 vừa chịu ứng lực nén σ do
đầu dao ép, vừa chịu ứng suất kéo τ do ma sát giữa mặt dao và các phần tử kim loại trên chi tiết sát đó. Cũng tương tự như vậy đối với các phần tử kim loại trong khu vực O2 A. Riêng trong vùng AB thì các phần kim loại trên chi tiết do sự giãn nởđột ngột từ vùng chèn ép ra trạng thái tự do bị các phần tử kim loại trước nó và sau nó kéo ra (hình 2.8). Do hiện tượng kéo giãn đột ngột đó nên bề mặt đã gia công dễ
phát sinh các vết nứt tế vi.
Bên cạnh tải trọng lực phức tạp như vậy, bề mặt đã gia công còn nhận tác dụng nhiệt cũng hết sức phức tạp (Hình 2.9).
Tải trọng lực và tải trọng nhiệt phức tạp làm cho bề mặt đã gia công xuất hiện những hiện tượng cơ - lý cũng hết sức phức tạp. Những hiện tượng đó là:
1. Ứng suất dư phát sinh ra trong lớp bề mặt sát bề mặt đã gia công. 2. Một lớp mỏng của lớp bề mặt đã gia công bị hoá bền (hay bị biến cứng) 3. Trên bề mặt đã gia công xuất hiện các vết nứt tế vi.
Tổng hợp những kết quả nghiên cứu quá trình thành phoi và quá trình hình thành bề mặt đã gia công, được đúc kết thành lý thuyết 5 vùng biến dạng khi cắt (hình 2.10).
Vùng I là vùng bắt đầu phát sinh biến dạng khi cắt. Hình thành biến dạng chủ
yếu trong vùng này là biến dạng đàn hồi. Những phần tử kim loại càng gần mặt OA thì mức độ biến dạng càng tăng. OA là giới hạn chuyển biến từ biến dạng đàn hồi sang trạng thái biến dạng dẻo (trượt).
Vùng II là vùng biến dạng dẻo của vật liệu gia công. Các phần tử kim loại càng gần mặt OC được coi như dần hoàn thành biến dạng dẻo sắp sửa tách ra trở
thành các phần tử phoi. Đây là vùng biến dạng mảnh liệt nhất.
Vùng III là vùng ma sát giữa mặt trước của dao với các phần tử kim loại phoi cắt sau khi ra khỏi vùng biến dạng dẻo II. Do ma sát nên bề mặt này của phoi sau khi ra khỏi mặt trước dao rất nhẵn bóng.
Vùng IV là vùng biến dạng và ma sát giữa mặt sau dao với các phần tử kim loại trên bề mặt đã gia công nằm sát mặt dao. Về biến dạng thì đây là vùng vừa có biến dạng đàn hồi, vừa có biến dạng dẻo.
Vùng V là vùng của các phần tử kim loại đã hoàn thành biến dạng và trở thành phoi cắt.
2.4.2.3. Nhiệt cắt và sự mài mòn dao
* Nhiệt cắt:
Trong quá trình cắt, phoi cắt chuyển động trượt và ma sát trên mặt trước dao, mặt đang gia công của chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao trong điều kiện áp lực lớn, nhiệt độ cao, ma sát khốc liệt và liên tục gây nên hiện tượng mài mòn dao.
Trong các yếu tố cắt thì tốc độ cắt là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt cắt. Khi tăng tốc đọ cắt thì nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đã đạt được độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại và đường cong của hàm số phụ thuộc θ = f(v) gần tiệm cận với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công.
Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt và tốc
độ cắt theo công thức sau: . x v C v θ θ θ = * Sự mài mòn dụng cụ cắt (dao cắt): Hình 2.11. Đồ thị biểu thị quan hệ giữa θ và V
Trong quá trình cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ. Mài mòn dao là một quá trình phức tạp, xảy ra theo các hiện tượng cơ lý hoá ở các bề mặt tiếp xúc giữa phoi và chi tiết với dụng cụ gia công. Khi bị mài mòn, hình dạng và thông số hình học phần cắt dao thay đổi gây nên những hiện tượng vất lý có ảnh hưởng xấu đến quá trình cắt và độ nhẵn bóng của bề mặt gia công. Do đặc điểm của quá trình cắt phức tạp nên khác với mài mòn trên các chi tiết máy bình thường, mài mòn dao có nhiều dạng khác nhau.
Nghiên cứu sự mòn của dao có thể tìm được các nguyên nhân mòn sau: - Mài mòn do cào xước: bản chất của mòn cào xước là do các hạt cứng của vật liệu gia công và phoi cào xước (mài mòn) vào các bề mặt tiếp xúc của dụng cụ. Quá trình này như tác dụng của hạt nhỏ mài cắt vào các bề mặt dụng cụ trong quá trình làm việc. Khi độ cứng của bề mặt tiếp xúc với dụng cụ càng lớn thì dụng cụ bị
mòn càng nhiều. Khi cắt ở tốc độ thấp, nhiệt cắt thấp, cơ chế mài mòn cào xước là chính. Do nhiệt cắt thấp, một phần tạp chất trong vật liệu gia công có độ cứng lớn hơn độ cứng của vật liệu làm dao nên khi cắt chúng cào xước mặt trước của dao tạo thành các rãnh song song theo phương thoát phoi.
- Mài mòn vì ôxi hoá: Ở tốc độ cắt cao, những lớp trên bề mặt làm việc của dao có thể bị ôxi hoá, lớp này dòn dễ bị phá huỷ và quá trình cứ tiếp tục xảy ra như
vậy. Mài mòn vì dính: Một trong những dạng mài mòn dụng cụ thường gặp nhất là dạng mài mòn vì dính. Khi cắt do áp suất và nhiệt độ cao, phoi cắt thoát ra dính vào mặt trước của dụng cụ. Khi chuyển động phoi sẽ dứt đi từng mảnh nhỏ vật liệu ở
mặt trước của dao. Kết quả là trên mặt trước của dao xuất hiện những vết lồi lõm. - Mài mòn vì nhiệt: Ở tốc độ cắt tương đối cao, khi nhiệt độ cắt đạt đến nhiệt
độ nào đó, cấu trúc tế vi trong lớp bề mặt dao thay đổi, độ bền giảm. Do đó làm dao chóng mòn.
- Mài mòn vì khuyếch tán: Khi cắt bằng dao hợp kim cứng, ở tốc độ cắt cao, dao thường bị mòn vì khuyếch tán. Hiện tượng mòn này thường xảy ra khi có sự
nguyên tử của vật liệu làm dao khuếch tán sang vật liệu gia công làm dao bị mòn nhanh.
Trong gia công cao tốc với vận tốc cắt lớn (Vc >120m/ph) nguyên nhân gây mòn dao do cào xước có thể bỏ qua được.
Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ bền của dao
Ở hình 2.12 thể hiện mức độ mòn của dao phụ thuộc vào nhiệt độ cắt gọt.
Đồ thị này chỉ mang tính định tính. Khi nhiệt độ cắt lớn mức độ mòn vì nhiệt của dao tăng do mài mòn vì khuyếch tán tăng, đồng thời nó ảnh hướng gián tiếp đến mài mòn cơ học do khi nhiệt độ tăng là cấu trúc của vật liệu làm dao bị thay đổi do
đó làm độ bền cơ học giảm làm dao bị mòn nên việc giảm nhiệt cắt trong quá trình cắt gọt sẽ góp phần làm tăng tuổi bền của dao. Một trong các biện pháp hiệu quảđể
làm giảm mòn dao là giảm nhiệt cắt bằng cách sử chất bôi trơn hay tưới nguội. Bởi vậy trong gia công cắt gọt, các chất bôi trơn làm nguội có vai trò rất lớn, nhiều nguyên công không thể tiến hành có hiệu quả nếu không sử dụng đúng các chất này. Việc sử dụng các chất bôi trơn làm nguội có với mục đích sau:
- Giảm nhiệt cắt trong quá trình gia công (làm dao cắt và chi tiết gia công không bị quá nóng) sẽ làm giảm ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công và tuổi bền của dao.
- Tăng độ bền dao.
- Nâng cao chất lượng bề mặt (giảm độ nhám bề mặt). - Không để phoi nhỏđọng lại trên vùng cắt.
2.4.2.4. Ảnh hưởng của các yếu tố hình học của dụng cụ cắt và chếđộ cắt.
Mối quan hệ giữa các thông số hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đối với chất lượng bề mặt chi tiết máy đã được nhiều tài liệu đề cập đến. Người ta đã