Công suất tiêu hao trong quá trình cắt gọt bằng công suất tiêu hao cho chuyển động chính của máy và một phần nhỏ chuyển động chạy dao:
- Công suất cắt chính: p .. (4.4)
NCBca= ' L (fcwo
60.102 ỵ J
p .s h
- Công suất chạy dao: < = ■ — ■ (4.5)
Trong đó: Sph = S.n (mm/phút) - Lượng chạy dao phút.Thực tế Ncd thường nhỏ hơn Ncg nhiều, do đó cần chọn công suất hiệu dụng của máy phù hợp, thỏa mãn điều kiện:
p„.v _ "
— (4'7)
Trong đó: Pz - Lực tiếp tuyến, kG, v: Tốc độ cắt, (m/ph). Nm: Công suất máy, kW; : Hiệu suất động cơ chính. 4.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến lực cắt.
88
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt, tuy nhiên ở đây ta chỉ quan tâm đến những yếu tố ảnh hưởng chính đến lực cắt như: chế độ cắt, thông số hình học của
89
4.2.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt thành phần. 4.2.1.1. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t và lượng chạy dao S. 4.2.1.1. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t và lượng chạy dao S.
Khi tăng t và tăng S sẽ làm tăng diện tích lớp cắt, do đó các lực cắt thành phần
đều tăng.
Hình 4.8. Ảnh hưởng t và S đến lực cắt thành phần.
Thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của t đến lực cắt lớn hơn ảnh hưởng của S đến lực cắt. Các đường cong thể hiện quan hệ giữa Pz - t , Py - t , Px - t có độ dốc lớn hơn tương ứng so với các đường cong thể hiện quan hệ giữa Pz - S, Py - S, Px - S.
4.2.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt v.
Ảnh hưởng của tốc độ cắt v đến lực cắt tương đối phức tạp. Từ biểu đồ trên hình 4.9 có thể thấy rằng trong khoảng tốc độ cắt từ v1 đến v3, lực cắt thành phần biến thiên (giảm trong khoảng từ v1 đến v2 và tăng trong khoảng từ v2 đến v3). Khi tăng tốc độ cắt vượt qua giới hạn v3 thì lực cắt thành phần có xu hướng giảm. Có thể giải thích vấn đề này như sau:
- Trong khoảng tốc độ cắt từ v1 đến v3 có sự hình thành lẹo dao. Lẹo dao theo chu kỳ dẫn đến thay đổi giá trị góc trước của dao và đồng nghĩa với việc lực cắt ứng với dải tốc độ cắt này biến thiên.
- Khi tốc độ cắt vượt qua giới hạn v3, lẹo dao không xuất hiện nên không tồn tại ảnh hưởng của lẹo dao đến lực cắt. Như đã biết, tốc độ cắt v càng lớn thì biến dạng của vật liệu trên phôi sẽ giảm, đồng nghĩa với lực cắt sẽ giảm theo. Vì thế v càng
90 lớn thì xu hướng lực cắt sẽ giảm.
Hình 4.9. Ảnh hưởng của v đến lực các lực cắt thành phần.
91
4.2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao đến lực cắt. 4.2.2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng chính ọ. 4.2.2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng chính ọ.
Biểu đồ ở hình 4.10 mô tả ảnh hưởng của ọ đến lực cắt Pz.
Đường cong 1 ứng với trường hợp tiện không tự do có r = 2 mm, v = 40 m/phút. Khi tăng ọ thì lực cắt giảm do chiều dày cắt tăng dẫn đến lực cắt đơn vị giảm. Tuy nhiên khi ọ tăng quá 45° thì do chiều dài lưỡi cắt cong tham gia cắt tăng nên dẫn đến làm tăng biến dạng do đó lực cắt tăng.
Với đường công 2 và 3 tương ứng là các trường hợp tiện không tự do và tiện tự do khi có r = 0. Như vậy do không có ảnh hưởng của bán kính mũi dao nên khi tăng ọ thì lực cắt giảm.
Góc nghiêng chính ọ có ảnh hưởng lớn đến trị số lực Py , khi góc ọ tăng lực Py
giảm và khi góc ọ = 90° thì lực Py = 0. Do đó, khi tiện trục không cứng vững thì nên sử dụng dao vai với góc ọ = 90°.
4.2.2.2. Ảnh hưởng của góc trước Y và góc nâng À.
Khi góc trước Y tăng thì biến dạng giảm dẫn đến lực cắt giảm. Hình 4.12 và 4.13 thể hiện rõ ảnh hưởng của góc Y và góc À đến các lực cắt thành phần.
4.2.3. Công thức tính lực cắt khi tiện.
Ở trên là nêu lên mối quan hệ đơn giữa lực cắt với từng yếu tố như t, S, v, . .tuy nhiên chúng ít có giá trị sử dụng trong thực tế. Vì vậy, để xác định giá trị của lực cắt thì ta phải đánh giá chúng trong mối liên hệ tổng quát bằng các công thức tính lực cắt tổng quát cho trong các bảng dưới đây:
Bảng 4.1. Công thức tính lực cắt khi Ọ1 > 0.
Lực cắt Công thức Ghi chú
Tiếp tuyến Pz P = Cpf^v^Mpz (kG) Cpz, Cpy, Cpx - là các hệ số.
t (mm), S (mm/vòng), v (m/phút) k - là hệ số phụ thuộc vật liệu phôi. x , y , n - Số mũ
Hướng kính Py Py = Cpt- S-vkM (kG) Lực chạy dao Px P = Cj-S-V/Pp (kG)
92
Bảng 4.2. Công thức tính lực cắt khi dao có lưỡi cắt phụ và Ọ1 = 0.
Lực cắt Công thức Tiếp tuyến Pz P = CPztXxPSypVnPkụpz (kG) Hướng kính Py Py = <\i'S-vkp (kG) Lực chạy dao Px P = Cp^s-vkp (kG) Bảng 4.3. Hệ số mũ trong công thức ở bảng 4.1. Vật liệu gia công Hệ số và số mũ trong công thức
Lực tiếp tuyến Pz Lực hướng kính Py Lực chạy dao Px r ^pz xpz ypz npz ™ ^py C xpy ypy npy C '-'px Xpx ypx npx Thép kết cấu ơb = 70 kG/mm2 384 0,9 0,9 -0,15 335 0,6 0,8 -0,3 241 1,05 0,2 -0,4 Gang xám 190HB 123 1,0 0,85 0 61 0,6 0,5 0 24 1,05 0,2 0 Bảng 4.4. Hệ số và số mũ trong bảng 4.2. Vật liệu gia công Dạn g gia công Vật liệu làm dao Hệ số và số mũ Lực Pz Lực Py Lực Px C_
pz ypz xpz npz py ypy xpy npy px ypx xpx npx Thép và vật đúc bằng thép Obp = 75 kG/mm 2 Tiện ngoài , tiện rộng Hợp kim cứng 300 0,75 1 -0,15 243 0,6 0,9 -0,3 339 0,5 1 -0,4 HSS 208 0,75 1 0 141 0,75 0,9 0 66,8 0,65 1,2 0 Tiện rãnh, cắt đứt Hợp kim cứng 408 0,8 0,72 0 172 0,67 0,73 0 - - - - HSS 247 1 1 0 - - - - Gang xám Tiện ngoài , tiện rộng Hợp kim cứng 92 0,75 1 0 54 0,75 0,9 0 46 0,4 1 0 HSS 118 0,75 1 0 54 0,75 0,9 0 51,4 0,65 1,2 0
93
Bảng 4.5. Hệ số điều chỉnh lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công trong bảng 4.1. Vật liệu gia công Hệ số trong công thức Lực Pz Lực Py Lực Px Hợp kim
cứng Thép gió Hợp kim cứng gió Thép Hợp kim cứng Thép gió Thép ơbp < 60 kG/mm ^Mpz ~ / \0,35 Í75 ) kMpz = ( V’35 Í75 ) kMpy = / _ \1,3 5 f ^b. ì kMpy = f ơb ì 2 175 ) kMpx = f ^b. ì Í 75 ) kMpx = / _ \1,5 f ^b. ì Í 75 ) ơbp > 60 kG/mm Gang xám kMpz = fHB ì0,4 Í190 J kMpz = f HB ì0,55 Í190 J kMpy = f HBB ì Í190 J kMpy = Í 190 ] kMpx = f HB ì0,8 Í190 J kMpx = f HB 1,1
Bảng 4.6. Hệ số điều chỉnh lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công trong bảng 4.2.
Vật liệu gia công Hệ số điều chỉnh cho
Lực Pz Lực Py Lực Px Thép z X0,35 ^Mpz [75] =f — 1 \1,35 t Mpy [75 ] k =[ ^- ] Mpx \ *75 / Gang , f HB ì0,4 £,,... = Mpz [ 190 ) f HB ì k»Mpyz„. = [ 190 ) , £,,.... = f HB ì0,8 Mpx [ 190 ) CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4
A. Lý thuyết.
1. Trình bày các lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dao tiện?
2. Vai trò của các lực cắt thành phần Pz, Py, Px trong tính toán thiết kế máy, dao, đồ gá?
3. Trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt? B. Bài tập.
Tiện ngoài một trục bằng thép cán C45 có zb = 75 (kG/mm2) từ 034 xuống 030. Biết dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng T15K6, tiết diện thân dao F=20x30, ọ=60°, Ọ1=5°. Dao gá vuông góc với phôi và cao ngang tâm máy, chiều dài gá dao côngxon 1=60 (mm). Thân dao bằng thép C45 với [ơj = 200 (N/mm2).
- Chế độ cắt: S = 0,34 (mm/vòng), n = 400 (vòng/phút), có tưới dung dịch trơn nguội.
- Máy tiện T620, Nđc = 7 (Kw), hiệu suất động cơ n = 0,8, [Px] = 3600 (N). Yêu cầu:
94
- Tính giá trị của các lực cắt thành phần: Pz, Py, Px? - Tính công suất cắt gọt và kiểm tra công suất động cơ? - Kiểm tra độ an toàn của hộp xe dao?
95
Chương 5: MÒN VÀ TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT
Trong chương này, sẽ mô tả vắn tắt về Hình 5.1: Mảnh cắt bỊ mòn. các dạng mòn, cơ chế,của quá trình mòn, cũng như các giai đoạn mài mòn của dụng cụ cắt, khái niệm tuổi bền và một số biện pháp nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt.
5.1. Mòn của dụng cụ cắt.
5.1.1. Hiện tượng mòn của dụng cụ cắt.
Mài mòn dụng cụ cắt là hiện tượng mất khối lượng phần cắt gọt do ma sát giữa mặt sau của dao và bề mặt gia công, ma sát giữa phoi và mặt trước dao, mũi dao, tất cả diễn ra trong điều kiện rất khốc liệt (nhiệt cắt cao, áp lực lớn, bôi trơn hạn chế,... ) vì vậy dụng cụ cắt bị mài mòn nhanh.
Tuỳ thuộc vào điều kiện cắt, vật liệu gia công và vật liệu dao mà dao có thể bị mòn theo các dạng như hình 5.2.
Hình 5.2. Các dạng mòn của dụng cụ cắt.
a) Mòn theo mặt sau; b) Mòn theo mặt trước; c) Mòn cả mặt trước và mặt sau d) Cùn lưỡi cắt; hs - Độ mòn mặt sau; hf - Độ mòn mặt trước
- Mòn theo mặt sau là chính, thường xảy ra khi cắt với phoi mỏng, cắt vật liệu giòn (ví dụ gia công gang) (hình 5.2a).
- Mòn theo mặt trước xảy ra khi gia công vớí chiều dày cắt a > 0,6mm và cắt vật liệu thép (hình 5.2b).
- Mòn cả mặt trước và mặt sau, khi gia công vật liệu dẻo với chiều dày cắt trung bình (a •••0,1:0,5 mm) (hình 5.2c).
Mi mòn ca dng c ct l iu không th tránh c sau mt thi gian di lm vic ca dng c ct. Nh hình 5.1 bên ta thy hình nh mt mnh ct b mòn. V khi dng c ct b mòn quá gii hn cho phép s nh hng xu n quá trình ct v cht lng gia công
96
- Cùn lưỡi cắt (lưỡi cắt bị vê tròn): Thường gặp khi gia công tinh vật liệu dẫn nhiệt kém như: thép hợp kim, chất dẻo,...
Mòn theo mặt sau phổ biến hơn và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, do đó hs được dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá độ mài mòn dụng cụ cắt, dụng cụ cắt còn cắt được khi thỏa mãn hs < [hs] trong đó [hs] là độ mòn dao cho phép. Nếu không thỏa mãn điều kiện đã cho thì cần phải mài lại dụng cụ cắt trước khi gia công.
5.1.2. Cơ chế mòn.
Bản chất vật lý của quá trình mài mòn dao rất phức tạp và chưa được nghiên cứu đầy đủ. Có nhiều giả thuyết về vấn đề này, song có thể đưa ra đây một giả thuyết giải thích cơ chế mòn như sau:
- Mòn do cào xước.
Ở tốc độ thấp, mòn chủ yếu là do ma sát ở dạng cào xước giữa mặt sau và mặt trước dao với các đối tượng nó tiếp xúc. Vật liệu gia công thường có những phần tử tạp chất dạng tế vi, có độ cứng cao hơn của vật liệu dao nên khi tiếp xúc, nó sẽ cào xước bề mặt của dao, gây mòn.
- Mòn vì dính.
Dưới áp lực và nhiệt độ cao, phoi thoát ra và trượt trên mặt trước với tốc độ cắt lớn, những phần tử phoi dính vào mặt trước khi chuyển động sẽ mang đi từng phần tử nhỏ của vật liệu dao. Dần dần mặt trước xuất hiện vết lõm mòn dạng lưỡi liềm (hình 5.2b, c).
- Mòn vì nhiệt.
Ở điều kiện nhiệt cắt cao, cấu trúc của vật liệu dao (nhất là nhóm thép dụng cụ) bị giảm lực liên kết giữa các phần tử, cũng gây ra mòn.
- Mòn vì ôxy hóa.
Nhiệt cắt cao làm lớp bề mặt vật liệu dao bị ô xy hóa trở nên giòn do đó dễ bị phá hủy do lực ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc với nhau.
- Mòn do khuếch tán.
Khi cắt bằng dao HKC ở tốc độ cao, nhiệt cắt thường cao khoảng 900:1000°C. Ở nhiệt độ này vật liệu dao dễ khuếch tán sang đối tượng nó tiếp xúc (phoi và bề mặt gia công).
Khi gia công thép hợp kim, mòn khuếch tán có thể xảy ra ở nhiệt độ khoảng 500:600°C', lý do là giữa vật liệu dao HKC và thép hợp kim có sự tương tác hoá học. Có nhiều cách xác định lượng mòn dao, song cách thường dùng nhất là đo trực tiếp diện tích và kích thước vết mòn.
Để đơn giản cho việc đo lường, đồng thời cũng phù hợp với thực tế là độ mòn mặt sau dao ảnh hưởng có tính quyết định đến chất lượng bề mặt gia công, nhiệt và rung động,... người ta quy ước lấy chiều cao mòn theo mặt sau của dao là hs (mm) làm tiêu chẩn đánh giá mức độ mòn. Và độ mòn cho phép ký hiệu là [hs].
97
5.1.3. Quy luật mài mòn.
Khi nghiên cứu mài mòn của dụng cụ cắt thường sử dụng độ mòn mặt sau hs. Qua nghiên cứu người ta thấy rằng sau một thời gian làm việc nhất định thì độ mòn mặt sau của dao hs thay đổi theo quy luật được biểu thị bằng đường cong trong hình 5.3. Quá trình mòn của dụng cụ cắt được chia làm 3 giai đoạn như sau: - Đoạn OA, đường cong dốc nhiều. Đoạn này ứng với lúc bắt đầu làm việc, vì dao còn mới nên lớp ôxít mỏng do nhiệt luyện để lại bị bong đi khá nhiều, nên tốc độ mòn lớn trong thời gian rất ngắn gọi là giai đoạn mòn ban đầu.
- Đoạn AB, giai đoạn mòn ổn định, độ dốc thấp và gần như tuyến tính. Lý do là ở thời kỳ này diện tích mòn đã tăng lên đến mức nào đó, cho nên cùng một chế độ, lực pháp tuyến đơn vị trên mặt sau nhỏ đi, lực ma sát đơn vị cũng nhỏ theo. Kết quả độ mòn tăng lên chậm và thời gian mòn lớn. Đoạn OB’ = T (phút) gọi là tuổi
98
- Đoạn sau điểm B, ở cuối giai đoạn mòn ổn định, chiều cao mòn đạt tới giá trị cực đại do dao quá nóng. Nếu tiếp tục cắt gọt dao mòn nhanh và dẫn đến phá hủy luỡi cắt (độ dốc đuờng cong mòn tăng vọt, thể hiện mòn khốc liệt). Đến đây phải mài lại dao, vì nếu tiếp tục làm việc thì mặt sau sẽ mòn quá mức, mài lại mặt sau sẽ lâu
hơn, số lần mài lại dao sẽ giảm đi, kết quả là tuổi thọ dao thấp. Do đó sử dụng dao hợp lý không đuợc kéo dài thời gian quá điểm B.
o Á' t (phút)
Hình 5.3. Các giai đoạn mài mòn của dụng cụ cắt.
Tốc độ mòn của dao phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể và tốc độ mòn có ảnh huởng quyết định đến tuổi bền và tuổi thọ của dụng cụ cắt. Nếu giảm đuợc tốc độ mòn thì có thể tăng đuợc tuổi bền của dụng cụ cắt tăng hiệu quả sử dụng của
dụng cụ cắt (hình 5.4).
Với tốc độ cắt bình thuờng thì thời gian mòn ổn định chiếm khoảng 85% - 90% tuổi bền của dao. Nếu tăng tốc độ cắt thì đoạn AB sẽ ngắn lại. Nếu tốc độ cắt vuợt quá giới hạn cho phép (ví dụ dao thép gió cắt ở V lớn hơn 40 - 50 m/ph, không tuới nuớc làm mát) thì điểm B sẽ lùi tới A, nghĩa là không có đoạn AB nữa.
t (ph) Hình 5.4. Họ đường cong mòn.
Độ lớn [hs] tùy thuộc vào độ chính xác gia công, gia công tinh thì [hs] nhỏ hơn gia công thô.
99
5.1.4. Tiêu chuẩn đánh giá mài mòn.
Độ mòn của dao mà tại đó dao không tiếp tục cắt gọt đuợc nữa mà phải tiến hành mài lại đuợc gọi là độ mòn giới hạn [hs]. Mỗi loại dao có độ mòn giới hạn [hs] khác nhau. Độ mòn đã đuợc quy định gọi là độ mòn tiêu chuẩn. Nguời ta quy định 2 loại tiêu chuẩn mòn: