Chƣơng 3 : CƠ SỞ LÝ L UN CỦA VẤN Ề NGHIÊN CỨU
3.1. ộng học và động lực học của quá trình cắt gọt kim loại
3.1.1. Chế độ cắt khi tiện
Chế độ cắt khi tiện đƣợc đặc trƣng bởi 3 thông số cơ bản : vận tốc cắt, lƣợng chạy dao và chiều sâu cắt.
3.1.1.1. Vận tốc cắt ( : là lƣợng dịch chuyển tƣơng đối giữa lƣỡi cắt và chi
tiết gia công trong một đơn vị thời gian (hoặc lƣợng dịch chuyển tƣơng đối của một điểm trên bề mặt chi tiết gia công và lƣỡi cắt trong một đơn vị thời gian) ta có:
VC V S
(3.1)
a số các trƣờng hợp trị số của vận tốc chuyển động chay dao S rất nhỏ nên có thể coi vận tốc cắt là vận tốc chuyển động chính Vc V.
Ví dụ khi tiện ngồi chi tiết đƣờng kính D (mm) số vịng quay trục chính n (vg/ph) thì trị số của tốc độ cắt có thể tính theo cơng thức:
1000 . 60 . .Dn V (m/s) (3.2) “Khi tiện lỗ thì D là đƣờng kính lỗ sau khi gia công, khi khoan D là đƣờng kính mũi khoan, khi phay D là đƣờng kính dao phay, khi mài D là đƣờng kính của đá mài’’.
Nếu chuyển động chính là tịnh tiến (bào, xọc ) thì trị số vận tốc lấy theo giá trị vận tốc trung bình: 1000 . . 2Ln Vtb (m/ph) (3.3)
Trong đó: L - là chiều dài hành trình chạy dao (mm). n - là số hành trình kép trong một phút .
3.1.1.2. Chiều sâu cắt (t) : là chiều sâu lớp kim loại bị hớt đi sau một lần cắt
(hoặc là khoảng cách giữa hai bề mặt đã và chƣa gia công kề nhau đo theo phƣơng vng góc với phƣơng chạy dao).
Ví dụ: Khi tiện thì chiều sâu cắt đƣợc tính:
t = (D – d)/2 (khi tiện ngoài)mm t = (d – D)/2 (khi tiện trong)mm
3.1.1.3. Lượng chạy dao (S) là quãng đƣờng tƣơng đối của lƣỡi cắt so với chi
tiết theo phƣơng chuyển động chạy dao sau một đơn vị thời gian, sau một vịng quay của phơi hay sau một hành tình kép.
Hình 3.2. Các yếu t của chế độ cắt
Khi tiện, lƣợng chạy dao S là lƣợng dịch chuyển của dao theo phƣơng chạy dao dọc theo bề mặt gia cơng sao một vịng quay của phơi (mm/vg)
Khi bào và xọc lƣợng chay dao S là lƣợng dịch chuyển của dao hay bàn máy sau một hành trình kép của bàn máy (hoặc dao) – mm/h.t.kép.
ối với dao nhiều lƣỡi cắt nhƣ dao phay có thể tính lƣợng chạy dao sau một răng dao (mm/rg), lƣợng chạy dao sau một vòng quay của dao (mm/vg), lƣợng chạy dao sau một phút làm việc của dao (mm/ph).
Hình 3.3. Các yếu t của chế độ cắt sau một vòng quay của dao
Tập hợp các yếu tố vận tốc cắt V, chiều sâu cắt t, lƣợng chạy dao S gọi là chế độ cắt.
3.1.2. Động ực học của quá trình cắt
ộng lực học quá trình cắt nghiên cứu nhiều vấn đề ảnh hƣởng đến năng suất, chất lƣợng, hiệu quả của công nghệ cắt gọt nhƣ : sự cân bằng năng lƣợng trong quá trình cắt, lực cắt, độ ổn định của quá trình cắt,…Trong luận văn chỉ đề cập đến lực cắt khi tiện và ảnh hƣởng của một số yếu tố thuộc chế độ cắt đến lực cắt để làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm.
3.1.2.1. Lực cắt khi tiện
Hệ thống lực cắt khi tiện đƣợc mơ tả nhƣ hình 3.4. Lực tổng hợp P đƣợc phân thành 3 thành phần tiếp tuyến, hƣớng kính và ngƣợc với hƣớng chuyển động chạy dao.
Thành phần lực z nằm theo hƣớng chuyển động chính (hƣớng vận tốc
cắt), thành phần này gọi là lực tiếp tuyến, lực cắt chính. Giá trị của nó cần thiết để tính tốn cơng suất chuyển động chính, tính độ bền của dao và các chi tiết khác của máy.
O PX PY PZ P n
Thành phần lực y tác dụng trong mặt phẳng nằm ngang và vng góc
với đƣờng tâm chi tiết ( vng góc với mặt phẳng sau khi gia cơng). Thành phần này đƣợc gọi là lực hƣớng kính, nó làm cong chi tiết, ảnh hƣớng đến độ chính xác của chi tiết gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt.
Thành phần lực x tác dụng ngƣợc hƣớng chạy dao, gọi là lực chiều trục
hay lực chạy dao. iết lực náy để tính độ bền chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu hao của cơ cấu chạy dao.
Hình 3.4. Sơ đồ phân tích lực cắt khi tiện
Lực cắt tổng cộng đƣợc tính :
(3.4)
3.1.2.2. Chi phí cơng suất trong q trình tiện
+ Cơng suất cắt khi tiện :
, (KW) (3.5)
, (KW) (3.6)
- Công suất cần thiết của động cơ điện cho máy gia công :
(3.7)
Thay các biểu thức (3.5), (3.6) vào (3.7) ta có:
) 10 . 60 . . . ( . 10 1 3 3 S n P V P N x z dc (kW) (3.8) Trong đó: z x P
P, – Lực cắt khi tiện theo các phƣơng X và Z, (N); V – Vận tốc chuyển động chính (m/s);
n - Số vịng quay trục chính máy (vg/ph); S - Lƣợng chạy dao (mm/vg);
- Hiệu suất các khu truyền động trong máy tính từ động cơ;
Từ cơng thức (3.8) ta có những nhận xét nhƣ sau:
- Chi phí cơng suất cần thiết cho quá trình tiện phụ thuộc vào lực cắt
z x P
P, , vận tốc chuyển động chính, số vịng quay và lƣợng chạy dao…
- iện năng tiêu thụ chính là cơng suất cần thiết của động cơ điện trong một khoảng thời gian nào đó nên có cũng phụ thuộc vào vào lực cắt Px,Pz, vận tốc chuyển động chính, số vịng quay và lƣợng chạy dao của máy khi gia công.
3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí c ng su t khi gia c ng trên máy tiện
3.1.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực cắt PZ
Trƣớc đây ngƣời ta cho rằng tốc độ cắt hầu nhƣ không ảnh hƣởng đến lực cắt. Quan điểm này đƣợc giải thích rằng các thí nghiệm đƣợc tiến hành trong phạm vi hẹp của sự thay đổi tốc độ và sử dụng các lực kế có độ nhạt
cảm thấp. Tuy nhiên, về sau này ngƣời ta đã chứng minh đƣợc sự phụ thuộc của lực cắt PZ vào tốc độ trong phạm vi biến đổi rộng. ể giải thích quan hệ phụ thuộc này, ngƣời ta làm thí nghiệm cắt thép 40X với tốc độ cắt biến đổi trong phạm vi lớn (hình 3.5).
Hình 3.5. Lực cắt PZ phụ thuộc vào t c độ cắt v và góc trƣớc γ
Trong vùng biến đổi của tốc độ cắt, khi co rút phoi giảm thì lực cắt cũng giảm và ngƣợc lại. Tuy nhiên, hiện tƣợng này không trùng lặp ngẫu nhiên mà tuân theo quy luật, bởi vì khi tăng tốc độ cắt, lực cắt thay đổi nhƣ hệ số co rút (hình 3.5). Hệ số co rút phoi tăng chứng tỏ góc trƣợt β1 giảm và diện tích bề mặt trƣợt tăng. Trong trƣờng hợp này, mức độ biến dạng của kim loại tăng, có nghĩa là tăng ứng suất mà ở đó xảy ra hiện tƣợng trƣợt. Tăng ứng suất và diện tích bề mặt trƣợt làm cho lực cắt PZ tăng. Ngoài ra, lực cắt và hệ số co rút phoi còn phụ thuộc vào hệ số ma sát khi lớp cắt biến dạng. ƣờng cong Pz = f(v) có chỗ lồi, chỗ lõm đƣợc giải thích là do xuất hiện lẹo dao ở mặt trƣớc của dụng cụ. iểm cực tiểu trên đƣờng cong PZ = f(v) tƣơng ứng với lẹo dao lớn nhất. Khi tốc độ cắt nhỏ, lẹo dao khơng xuất hiện, do đó lực cắt nhỏ. Trong vùng tốc độ cắt, nơi mà lẹo dao lớn nhất, lực cắt và độ co rút phoi giảm, bởi vì khi lẹo dao tăng thì góc trƣớc γ tăng. Khi tốc độ cắt tiếp tục tăng, chiều cao lẹo dao và góc trƣớc γ giảm, do đó hệ số co rút phoi và lực cắt tăng.
Khi tốc độ cắt tăng cao (khoảng 200 m/phút) nhiệt độ cắt tăng mạnh làm cho hệ số ma sát giảm, do đó lực cắt PZ cũng giảm.
iểm cực đại và cực tiểu của lực cắt PZ trên đồ thị (hình 3.5) thể hiện càng rõ nét khi góc trƣớc γ càng nhỏ. iều này đƣợc giải thích rằng, lẹo dao lớn có thể hình thành khi góc trƣớc γ nhỏ.
3.1.3.2. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao đến lực cắt
Lực cắt PZ tăng theo tỷ lệ bề rộng cắt b hoặc chiều sâu cắt t và với mức độ thấp hơn đối với chiều dày cắt a và lƣợng chạy dao s. Lực cắt đơn vị p phụ thuộc vào chiều sâu cắt t và lƣợng chạy dao s theo công thức sau:
0,25 75 , 0 . . . s c s t s t c f P p z (3.9)
Lực cắt PZ phụ thuộc vào chiều sâu cắt t và lƣợng chạy dao s đƣợc biểu diễn bằng công thức sau:
Pz c.tx.sy (3.10) Ở đây x > y trong điều kiện gia cơng bình thƣờng, khi chiều sâu cắt lớn hơn lƣợng chạy dao có nghĩa là >1.
Khi tỷ lệ gần tiết đến 1, giá trị x giảm, còn giá trị y tăng.
Khi gia công bằng dao rộng bản với lƣợng chạy dao lớn ( >1), các số mũ x, y cũng thay đổi tƣơng ứng.
Hiện nay để tính các thành phần lực cắt có thể dùng cơng thức gần đúng sau đây: 75 , 0 1.t.s c Pz ; 1,2 0,55 2.t .s c Px và 0,9 0,75 3.t .s c Py (3.11)
Bảng 3.4. Các hệ s phụ thuộc vào vật liệu gia công
Vật liệu gia công c1 c2 c3
Thép
σB = 35 140 19 27
σB = 35 165 42 67
σB = 35 200 67 125
Nhận xét:
Các thông số công nghệ (tốc độ cắt, chiều sâu cắt và lƣợng chạy dao) khi gia công trên máy tiện ảnh hƣởng trực tiếp tới lực cắt, mà lực cắt lại ảnh hƣởng tới chi phí điện năng khi gia cơng. Do vậy có thể kết luận rằng thông số công nghệ (tốc độ cắt, chiều sâu cắt và lƣợng chạy dao) ảnh hƣởng trực tiếp tới điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian nhất định khi gia công trên máy tiện .
3.2. Chất lƣợng bề mặt gia công
Chất lƣợng bề mặt gia công đƣợc đánh giá bằng hai yếu tố đặc trƣng : - Tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt.
- ộ nhám bề mặt.
Chất lƣợng của lớp kim loại bề mặt đƣợc tạo thành bởi tính chất của kim loại và phƣơng pháp gia công cơ. Trong q trình gia cơng cơ dƣới tác dụng của lƣỡi cắt, trên bề mặt kim loại tạo thành những vết lồi, lõm và cấu trúc của lớp bề mặt cũng thay đổi (lớp bề mặt bị biến cứng dẻo và tạo thành biến cứng, đồng thời xuất hiện ứng xuất dƣ).
ề mặt có thể có độ sóng và độ nhám cao, độ sóng và độ nhám vừa phải, bề mặt tƣơng đối bằng phẳng nhƣng có độ nhám cao hoặc bề mặt phẳng với độ nhám thấp.
ộ sóng bề mặt xuất hiện khi gia cơng có rung động của hệ thống công nghệ (Máy – Dao – ồ gá – Chi tiết gia cơng), q trình cắt khơng liên tục, độ đảo của dụng cụ cắt, v.v…Thơng thƣờng độ sóng bề mặt xuất hiện khi gia cơng các chi tiết có kích thƣớc vừa và lớn.
Hình 3.6. Tổng quát về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy
ề mặt các chi tiết gia cơng bằng các dụng cụ có lƣỡi cắt (dao tiện, dao phay, dao bào,v.v…) có độ nhám với các đặc tính khác nhau:
- ộ nhám dọc (trùng với phƣơng véc tơ vận tốc cắt).
- ộ nhám ngang (vng góc với phƣơng véc tơ vận tốc cắt).
ộ nhám dọc xuất hiện khi lực cắt có biến đổi gây ra rung động. Ngoài ra độ nhám dọc xuất hiện còn do nguyên nhân lẹo dao (hiện tƣợng lớp kim loại bị dính chặt trên mũi dao).
ộ nhám ngang thƣờng lớn hơn độ nhám dọc. Khi gia công tinh bề mặt bằng dụng cụ hạt mài, độ nhám bề mặt theo các phƣơng ngang và dọc gần nhƣ nhau
Chất lƣợng bề mặt gia cơng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Tính chất của vật liệu gia công; Phƣơng pháp gia công (tiện, phay, bào, v.v…); Chế độ cắt; ộ cứng vững của hệ thống cơng nghệ; Thơng số hình học của dao; dung dịch trơn nguội.
Nhƣ vậy chất lƣợng bề mặt gia công là vấn đề rộng, trong phạm vi đề tài luận văn chỉ tập trung nghiên cứu độ nhám bề mặt và những yếu tố cơ bản ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt gia công.
3.2.1. Độ nhám m t gia công
ộ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi) là tập hợp tất cả những bề lồi, lõm với bƣớc cực nhỏ và đƣợc quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn.
ộ nhám bề mặt ảnh hƣởng lớn đến tính chất sử dụng của chi tiết máy. Nhiều công trỉnh nghiên cứu đã chứng minh rằng ma sát và độ mòn của chi tiết máy phụ thuộc vào chiều cao và hình dáng của độ nhám bề mặt và phƣơng của vết gia cơng. ộ nhám bề mặt tăng có ảnh hƣởng xấu đến độ bền của mối ghép căng (lắp chặt) bởi vì khi ép, độ nhám bề mặt bị chèn xuống làm cho độ bền của mối ghép giảm xuống. Ví dụ nhƣ, độ bền của mối ghép giữa trục chính và bánh xe tàu hỏa có độ nhám 36,5 µm giảm 40 so với độ bền mối ghép có độ nhám 18 µm.
ộ nhám bề mặt giảm (độ nhãn bóng bề mặt tăng) cho phép nâng cao độ bền mỏi của các chi tiết. Cụ thể nhƣ bề mặt vật liệu thép đƣợc đánh bóng sẽ có độ bền mỏi cao hơn 40 so với không đƣợc đánh bóng.
ộ nhám bề mặt còn ảnh hƣởng rất lớn đến tính chống ăn mịn hóa học của lớp bề mặt chi tiết. Các chỗ lõm trên bề mặt chi tiết (đáy các nhấp nhô tế vi) là nơi chứa các tạp chất nhƣ axit, muối, v.v…Các tạp chất này có tác dụng ăn mịn hóa học đối với kim loại. ề mặt chi tiết máy có độ nhám càng thấp (độ nhẵn bóng càng cao) thì càng ít bị ăn mịn hóa học. bán kính đáy các nhấp nhơ càng lớn thì khả năng chống ăn mịn hóa học của lớp bề mặt càng cao.
3.2.2. Các th ng số đánh giá độ nhám m t gia c ng
ể đánh giá độ nhám, trƣớc hết ta phải vẽ đƣợc đƣờng thẳng chuẩn. ƣờng thẳng chuẩn là đƣờng trung bình đƣợc vẽ sao cho trong phạm vi chiều dài chuẩn l tổng diện tích (phần gạch đứng trên hình 3.7) từ hai phía của đƣờng chuẩn bằng nhau. Chiều dài chuẩn l là chiều dài dùng để đánh giá các thông số của độ nhám, l = 0,01 đến 25mm.
Hình 3.7. Độ nhám bề mặt chi tiết
Theo TCVN 2511 – 95 cũng nhƣ các tiêu chuẩn: ISO, DIN, ANSI và JIS, độ nhám bề mặt đƣợc đánh giá theo một (hoặc một số) trong các thông số sau :
Ra – sai lệch profin trung bình cộng: là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của khoảng cách từ các điểm trên profin đến đƣờng trung bình, đo theo phƣơng pháp tuyến với đƣờng trung bình.
Ra đƣợc xác định theo công thức:
(3.12)
Rz – chiều cao nhấp nhô của profin theo mƣời điểm: là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao năm đỉnh cao nhất và chiều sâu năm đáy thấp nhất của profin tính trong phạm vi chiều dài chuẩn đo l:
Trị số Rz đƣợc xác định nhƣ sau :
(3.13)
ộ nhám bề mặt có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng làm việc của chi tiết máy.
Căn cứ vào Ra và Rz, TCVN 2511 – 95 chia độ nhám bề mặt ra 14 cấp.
Theo đó độ nhẵn bề mặt thấp nhất (hay độ nhẵn bóng bề mặt cao nhất) ứng với cấp 14 (Ra = 0,01µm, Rz = 0,05µm). Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt đƣợc cho theo giá trị của Ra hoặc Rz. Trị số Ra đƣợc cho khi yêu cầu độ nhám bề mặt (độ nhẵn bóng bề mặt) cần đạt từ cấp 6 đến cấp 12 (Ra = 2,5 ữ 0,04 àm).
Trong thực tế sản xuất nhiều khi ngƣời ta đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết theo các mức độ: thơ (cấp 1 ÷ 4), bán tinh (cấp 5 ÷ 7), tinh (cấp 8 ÷ 11) và siêu tinh (cấp 12 ÷ 14).
Luận văn chỉ sử dụng chỉ tiêu Ra khi xác định độ nhám bề mặt chi tiết
gia công trong nghiên cứu.
3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám m t gia c ng
3.2.3.1. Thơng số hình học của cơng cụ cắt
Qua thực nghiệm với phƣơng pháp tiện các nhà khoa học đã xác định đƣợc hình dáng và giá trị của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lƣợng chạy dao, hình dáng của lƣỡi cắt và bán kính mũi dao r. Nếu thay đổi góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ (đặc trƣng cho góc mài) thì chiều cao và hình dáng của độ nhám sẽ thay đổi. Khi gia cơng bằng dao có bán kính mũi dao lớn thì hình dáng của độ nhám cũng có dạng đƣợc vê trịn.
Trong q trình hình thành độ nhám khi tiện bằng dao có bán kính mũi