3.2.2.1. Các thành phần lực cắt khi khoan
Động lực học quá trình cắt nghiên cứu nhiều vấn đề ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng, hiệu quả của công nghệ cắt gọt như: sự cân bằng năng lượng trong quá trình cắt, lực cắt, độ ổn định quá trình cắt,v.v…Trong luận văn chỉ đề cập đến lực cắt khi khoan và
ảnh hưởng của một số yếu tố thuộc chế độ cắt đến lực cắt để làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm.
Khi khoan, lực cắt được phân bố trên lưỡi cắt của mũi khoan. Khác với khi tiện, khi khoan có 5 lưỡi khoan tham gia làm việc. Trên mỗi lưỡi cắt, lực cắt có thể phân tích thành ba hệ thống lưc vuông góc nhau. Lực cắt tren lưỡi cắt chính phân tích thành các lực: lực P, tiếp tuyến với đường tròn tại điểm lưỡi cắt có tác dụng, lực Py
Hình 3.10. Các thành phần lực cắt khi khoan
39
đi qua trục mũi khoan và Px song song với trục mũi khoan (hình 3.10). Hệ thống lực này tác động lên hai lưỡi cắt chính là như nhau.
Lực tác dụng lên trên một nửa lưỡi cắt ngang cũng có thể phân tích thành 3 lực. Song ngoài Pxn thì ảnh hưởng của các lực khác trên lưỡi cắt này trong quá trình khoan không cần quan tâm vì trị số quá nhỏ. Các lưỡi cắt phụ trong quá trình tạo phoi không có ý nghĩa quan trọng. Nhưng vì trên cạnh viền của mũi khoan góc sau phụ bằng không nên giữa cạnh viền và thành lỗ khoan có ma sát. Thành phần lực ma sát tiếp tuyến trên hình 3.10 ký hiệu là Pzφ. Tổng hình chiếu của các lực lên trục x trùng với trục mũi khoan chính là lực chiều trục khi khoan:
ΣX = 2Px + 2PXN = P0. (3.8)
Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy 2Px chiếm khoảng 40% lực P0, 2PXN chiếm khoảng 57% lực P0 và lực chiếu trục trên trụ lưỡi cắt phụ chiếm 3% lực P0.
Lực chiều trục P0 chống lại chuyển động chạy dao. Lực này dùng để tính cơ cấu chạy dao của máy khoan.
Lực Py còn gọi là trục hướng kính tác dụng trên hai lưỡi cắt chính. Trong trường hợp hai lưỡi cắt chính đối xứng qua tâm thì Py có trị số bằng nhau và ngược chiều nhau nên chúng triệt tiêu lẫn nhau. Tuy nhiên do hậu quả là khi mài mũi khoan không chính xác (góc nghiêng chính φ không trùng nhất, chiều dài lưỡi cắt chính khác nhau) lực Py sẽ khác nhau, vì vậy xuất hiện hợp lực ΔPy. Ảnh hưởng của lực ΔPy chính là làm “phá vỡ” lỗ khoan (làm tăng đường kính lỗ so với đường kính mũi khoan). Sự “phá vỡ” lỗ gọi là độ nhấp nhô bề mặt đại quan lần hai [15, 47] - đó là việc làm lệch mũi khoan khỏi trục hình học lỗ bởi vì lúc đó cạnh viền của mũi khoan không còn được sử dụng để định tâm trong lỗ. Ảnh hưởng của các phần tử kết cấu của mũi khoan đến đặc tính lực cắt của quá trình khoan có khác nhau.
40
Lực Pz là lực tiếp tuyến gây ra mômen cắt chính và tác động cách tâm mũi khoan một đoạn D/4. Thực nghiệm cho thấy rằng 80% mômen là do lực tiếp tuyến tác dụng trên lưỡi cắt chính, 12% mômen là do lực tiếp tuyến trên lưỡi cắt phụ, còn lại 8% là do lực tiếp tuyến trên lưỡi cắt ngang.
Tổng mômen của lực tác dụng đối với trục X: ΣMx = 2PzφR+2Pz
P
2 (3.9)
Đây chính là mômen xoắn khi cắt. Để thỏa mãn quá trình cắt thì mômen xoắn do máy thực hiện cho số vòng quay của trục chính cần phải lớn hơn mômen xoắn khi cắt.
Phần lớn mômen xoắn tác dụng lên lưỡi cắt chính của mũi khoan. Trên lưỡi cắt ngang thì tác dụng chủ yếu là của lực chiều trục.
Từ nguyên lý cơ học cơ sở của quá trình cắt vật liệu khi khoan, phần chính của các lực cắt Pz1 do biến dạng của vật liệu lực Pz2 là do ma sát mặt trước, Pz3 có giá trị không đáng kể nếu xem xét cả đến độ xoắn khi khoan.
Với mỗi lưỡi cắt cắt có thể viết [15, 47]: Pz1= d-dc 2 ( P 2 )τs cos(η-γ) cos(β+η-γ)sinβ ; (3.10) Pz2 = f(d-dc) 2sinφ . (3.11) Trong đó: d - đường kính mũi khoan ; S- lượng chạy dao khi khoan; φ- ½ góc ở đỉnh mũi khoan; f- lực ma sát riêng thường; dc- đường kính lưỡi cắt phía không làm việc; γ- góc trước; τs - ứng suất động trong mặt phẳng cắt.
Hàm số f(γ,η) có thể viết dưới dạng A-Bγ+η, trong đó A,B là các hệ số, cho nên có thể viết:
Pz = S(d-dc)
4 τs[A-Bγ+η] . (3.12)
41
a. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và đường kính mũi khoan
Khi tăng lượng chạy dao và đường kính mũi khoan thì sẽ tăng diện tích lớp cắt, lực chiều trục và mômen xoắn tăng. Tuy vậy cũng như khi tiện ảnh hưởng của lượng chạy dao và đường kính mũi khoan không nhất quán bởi vì: a = S
2 sinφ và b= D-ln
2sinφ (3.13) Trong trạng thái làm việc bất kỳ thì chiều dày lớp ảnh hưởng đến hệ thống lực cắt ít hơn chiều rộng lớp cắt do đó lượng chạy dao ảnh hưởng đến lực chiều trục và mômen xoắn ít hơn là đường kính mũi khoan.
Theo GS. Philonenko S.N. [47] lực chiều trục và mômen xoắn có thể xác định theo:
P0 = Cl.DxpSyp và M = C2.DxmSym . (3.14) Trị số các hệ số C1 và C2 phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, dạng lưỡi khoan và các điều kiện cắt khác. Trị số các số mũ khi gia công những vật liệu khác nhau thay đổi trong các khoảng xp= 0,9÷ 1,4; yp= 0,7÷0,9; xm=2,0; ym = 0,8÷0,9.
b. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực chiều trục và mômen xoắn
Khi tăng tốc độ cắt thì biến dạng đơn vị của kim loại giảm nhưng không đồng thời cũng làm cho nhiệt cắt của các bề mặt tiếp xúc tăng lên, hậu quả này làm cho tính chất cơ lý của vật liệu gia công thay đổi dẫn đến lực chiều trục P0 và momen xoắn Mx thay đổi. Các công trình khoa học [15, 47] đã đưa ra nhận xét rằng quan hệ giữa vận tốc cắt với lực chiều trục P0 và mômen xoắn Mx là phi tuyến. Mức độ ảnh hưởng của vận tốc cắt đối với Mx
là ít hơn như đối với P0.
c. Ảnh hưởng của góc rãnh xoắn
Ảnh hưởng của góc nghiêng rãnh xoắn ω đến lực chiều trục và mômen xoắn gắn liền với sự thay đổi góc trước γ hay nói cách khác góc trước và góc
42
nghiêng rãnh xoắn tỷ lệ thuận với nhau. Như vậy khi tăng góc ω thì góc trước tăng, công biến dạng và ma sát khi khoan giảm xuống làm cho mômen Mx và lực chiều trục P0 giảm xuống. Song qua thực nghiệm người ta đã xác định rằng, nếu tăng ω lên 35˚ thì lực chiều trục giảm xuống đáng kể. Tăng ω lên nữa thì ảnh hưởng của nó không còn đáng kể. Nguyên nhân là vì khi ω lớn , lượng phoi thoát ra sẽ phải chuyển động theo phoi thành rãnh tăng lên. Ngoài ra khi ω tăng lên thì cũng đồng thời làm giảm độ bền của mũi khoan. Vì vậy để khoan thép và gang thường chọn mũi khoan có ω =25÷30˚, để gia công kim loại màu thường chọn ω= 40÷45˚. Đối với mũi khoan đường kính nhỏ hơn 10mm để tăng độ bền và độ cứng vững của chúng người ta chọn ω = 18÷28˚.
d. Ảnh hưởng của góc nghiêng φ
Ảnh hưởng của góc nghiêng φ đến lực chiều trục P0 và mômen xoắn Mx cũng tương tự như ảnh hưởng của góc φ đến lực Px và Pz khi tiện. Khi tăng V thì chiều dày lớp cắt tăng lên còn chiều rộng lớp cắt ngang giảm xuống (diện tích lớp cắt không đổi) do đó biến dạng trung bình của phoi giảm xuống. Mặt khác nếu φ tăng lên sẽ làm cho mũi khoan khó ăn vào kim loại lực hướng trục sẽ tăng lên vì thành phần lực hướng trục trên lưỡi cắt chính tăng lên.
e. Ảnh hưởng của lưỡi cắt ngang và phương pháp mài sắc
Do kết cấu đặc biệt của mũi khoan mà hình thành lưỡi cắt ngang. Góc nghiêng chính φN = 90˚ do đó thành phần lực hướng trục ở đây có trị số lớn. Mặt khác tại lưỡi cắt ngang có trị số góc trước âm cho nên lưỡi cắt ngang càng dài thì lực P0 càng lớn (tăng khả năng chống lại mũi khoan ăn vào vật liệu gia công). Đối với mômen xoắn thì lưỡi cắt ngang ảnh hưởng không đáng kể vì chiều dày lưỡi cắt ngang nhỏ hơn nhiều chiều dài lưỡi cắt ngang chính. Như vậy đối với qua trình cắt thì lưỡi ngang là một yếu tố có hại.
43
Góc nghiêng của lưỡi cắt ngang Ψ ảnh hưởng phức tạp nhất đến lực cắt và mômen xoắn. Đó chính là ảnh hưởng của sự thay đổi góc trước và góc sau tại điểm giao tiếp của lưỡi cắt ngang và lưỡi cắt chính. Nếu tăng Ψ thì chiều dài lưỡi cắt ngang sẽ giảm đi, lực chiều trục sẽ giảm nhiều và mômen xoắn cũng giảm. Mặt khác khi tăng góc Ψ thì tăng chiều dài lưỡi cắt chính và một đoạn của nó có góc trước tĩnh nhỏ. Chính vì vậy lại làm tăng Mx và P0.
f. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội
Không gian thoát phoi khi khoan là nửa kín, việc thoát phoi khi khoan khó khăn, điều kiện truyền nhiệt khi khoan không tốt. Do đó khi khoan có tưới dung dịch trơn nguội thì lực hướng tâm và momen xoắn giảm đi rất nhiều vì đung dịch có tác dụng làm giảm ma sát giữa phoi và rãnh thoát phoi đồng thời tạo áp lực đẩy phoi ra. Khi khoan lỗ sâu thì việc tưới dung dịch trơn nguội là điều kiện bắt buộc. Khi khoan thép thì mật độ ma sát giảm 10 đến 30%, khoan gang giảm 10 đến 18%, khoan nhôm và hợp kim nhôm thì giảm 30 đến 40%.
Chiều sâu lỗ khoan làm cho điều kiện khoan xấu bởi vì kéo dài quãng đường thoát phoi và khó dẫn dung dịch trơn nguội vì vậy tăng nhiệt mũi khoan có độ mòn tăng, lực chiều trục và mômen xoắn tăng.