. p v pv
4. NHIỆT CẮT KHI TIỆN.
Q trình tạo phoi và thốt phoi khỏi vùng cắt trong quá trình cắt làm xuất hiện một lƣợng nhiệt nhất định. Lƣợng nhiệt này sinh ra do sự chuyển đổi từ công cắt gọt. Thực nghiệm chứng tỏ rằng gần nhƣ tất cả cơng cần thiết trong q trình cắt đều chuyển biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi và cơng kín (cơng để biến dạng mạng tinh thể và các bề mặt lớn). Khoảng gần 98% cơng này chuyển hố thành nhiệt tổng cộng phát sinh sau một phút gia cơng và có thể tính theo cơng thức sau: . 427 z cg P v Q [Kcal/ph] (1.1)
Trong đó: Pz - thành phần lực cắt tiếp tuyến. v - tốc độ cắt.
Nghiên cứu ảnh hƣởng các thông số đặc trƣng của bơi trơn tối thiểu đến q trình tạo phoi và mòn của dụng cụ khi tiện thép 9XC qua tôi, sử dụng bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) – Chu Ngọc Hùng (chế tạo máy)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
25
Nhiệt lƣợng cắt đƣợc định nghĩa nhƣ là lƣợng nhiệt đƣợc sinh ra trong quá trình cắt sau một phút. Đó chính là cơng suất nhiệt khi cắt. Cịn lƣợng nhiệt có trên một đơn vị thể tích hay khối lƣợng của vật thể đƣợc cắt gọi là nhiệt lƣợng đơn vị (Cal/cm3; Cal/g).
Nhiệt lƣợng sinh ra khi cắt làm nóng chi tiết gia cơng, phoi và dụng cụ cắt. Nhiệt độ tại các điểm khác nhau có sự tác động của lƣợng nhiệt khác nhau và gọi là nhiệt độ cắt tức thời của các điểm khối lƣợng khảo sát trong vùng cắt. Trung bình cộng đại số của nhiệt độ các điểm khối lƣợng của phoi gọi là nhiệt độ trung bình của phoi. Tƣơng tự ta có nhiệt độ trung bình của dụng cụ và chi tiết gia cơng. Nhiệt độ trung bình trên các bề mặt tiếp xúc của vật liệu gia công và vật liệu cắt gọi là nhiệt độ cắt, qui ƣớc gọi tắt là nhiệt cắt.
* Nguồn gốc của nhiệt cắt.
Nhƣ trên đã phân tích rõ ràng để tách đƣợc phoi và thắng đƣợc ma sát khi cắt ta cần có lực cần thiết tác động vào chi tiết gia công tạo ra công cắt gọt và gần nhƣ hầu hết cơng này chuyển biến thành nhiệt. Cơng này chính là để thực hiện q trình biến dạng và thắng ma sát khi cắt. Do vậy ta có thể nói rằng nguồn gốc của nhiệt cắt là biến dạng và ma sát khi cắt. Qcg = Qbd + Qms (1.2)
Khi gia cơng cắt gọt ta có thể phân định vùng cắt thành các vùng biến dạng và ma sát. Do vậy nhiệt sinh ra từ 4 nguồn:
+ Vùng tạo phoi.
Nhiệt sinh ra do công ma sát giữa các phần tử của vật liệu gia công trong quá trình biến dạng: Qdh
Nếu xem vùng tạo phoi nhƣ là một mặt trƣợt duy nhất thì qua nghiên cứu lƣợng nhiệt này có thể xác định qua biểu thức sau:
1. . 427 c c dh P v Q (1.3)
Trong đó: Pc - lực theo phƣơng trƣợt vc1 - vận tốc trƣợt.
Nghiên cứu ảnh hƣởng các thông số đặc trƣng của bôi trơn tối thiểu đến q trình tạo phoi và mịn của dụng cụ khi tiện thép 9XC qua tôi, sử dụng bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) – Chu Ngọc Hùng (chế tạo máy)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
26
+ Vùng tiếp xúc của phoi và mặt trước dao.
Nhiệt sinh ra do công biến dạng đàn hồi và ma sát ngoài Qdm. Lƣợng nhiệt xuất hiện trên mặt trƣớc dao là do 2 nguồn, do tác dụng của lực ma sát trong ở lớp vật liệu phoi gần sát mặt trƣớc trống lại biến dạng đàn hồi và lực ma sát ngoài trên mặt tiếp xúc.
+ Vùng tiếp xúc của mặt sau dao và mặt cắt của chi tiết gia công.
Nhiệt sinh ra do sự chuyển đổi công ma sát Qms
+ Nhiệt sinh ra do công đứt phoi Qdp
4.1. Ảnh hƣởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt khi tiện.
* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia cơng.
Độ chính xác gia công khi cắt gọt đƣợc quyết định bởi vị trí tƣơng quan giữa dao và chi tiết gia cơng trong q trình cắt. Do vậy sự biến dạng về nhiệt của dao và chi tiết gia công do ảnh hƣởng của nhiệt khi cắt đƣợc quan tâm khảo sát.
Về quá trình trao đổi nhiệt, ta biết rằng nếu cung cấp một lƣợng nhiệt Q cho một vật có thể tích V (cm3), tỷ nhiệt c (J/kg.0K), khối lƣợng riêng (kg/cm3), thì độ tăng của nhiệt độ của vật thể đƣợc xác định:
0
Q
θ = ( )
c.γ.V K
(1.4)
Độ thay đổi chiều dài L theo phƣơng nào đó của vật thể là:
ΔL = α.Δθ.L (mm) (1.5)
Hình 1.15. Nguồn gốc và sự phân bố nhiệt cắt
phoi
dao
chi tiết
Nghiên cứu ảnh hƣởng các thông số đặc trƣng của bôi trơn tối thiểu đến quá trình tạo phoi và mịn của dụng cụ khi tiện thép 9XC qua tôi, sử dụng bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) – Chu Ngọc Hùng (chế tạo máy)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
27
Nhƣ vậy nếu ta xét trƣờng hợp khi tiện một chi tiết có đƣợc đƣờng kính là D theo thiết kế trên bản vẽ, nếu nhiệt lƣợng truyền vào cho chi tiết là Qct thì nhiệt độ trên chi tiết sẽ tăng lên một lƣợng xác định và đƣờng kính của chi tiết sẽ thay đổi một lƣợng là D:
ΔD = α.Δθ.D (mm) (1.6)
Mặt khác, nhiệt lƣợng Qd truyền vào dụng cụ cũng sẽ làm cho dụng cụ tăng chiều dài về phía tâm chi tiết. Khác với chi tiết, vật liệu trên dao là không đồng nhất giữa phần cắt và phần cán dao, do vậy sự biến dạng của dao theo chiều dài dƣới tác dụng của nhiệt cắt phức tạp hơn rất nhiều. Ở đây ta phải khảo sát biến dạng dài của dao trong mối quan hệ phức hợp:
d
L = f(L,F,σ ,v,s,t...)
(1.7)
trong đó:
F - là tiết diện thân dao d - là độ bền vật liệu dao. v,s,t - là chế độ cắt.
Sau quá trình cắt, khi chi tiết về nhiệt độ thƣờng, đƣờng kính thực tế của chi tiết gia công sẽ là:
t
D = D - (α.Δθ.D + ΔL) (1.8)
* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công.
Chất lƣợng bề mặt đã gia công của chi tiết đƣợc đặc trƣng bởi độ nhấp nhơ bề mặt và tính chất cơ - lý lớp sát bề mặt. Nhiệt cắt có ảnh hƣởng chủ yếu đến sự thay đổi tính chất cơ - lý lớp bề mặt chi tiết gia công.
Ta biết rằng, khi kim loại bị đốt nóng đến một nhiệt độ nào đó thì tổ chức kim tƣơng của chúng sẽ thay đổi. Sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi về cơ - lý tính của kim loại. Mặt khác, trong quá trình cắt sự tăng giảm đột ngột về nhiệt độ trên bề mặt gia công kết hợp với sự dao động của lực cắt sẽ tạo nên ứng suất dƣ và vết nứt tế vi trên lớp kim loại sát trên bề mặt, đồng thời trên đó kim loại cũng bị biến cứng hay hố bền. Nói chung các ảnh hƣởng này đều theo chiều hƣớng bất lợi cho yêu cầu về cắt gọt.
Nghiên cứu ảnh hƣởng các thông số đặc trƣng của bơi trơn tối thiểu đến q trình tạo phoi và mịn của dụng cụ khi tiện thép 9XC qua tơi, sử dụng bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) – Chu Ngọc Hùng (chế tạo máy)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
28
* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dao.
Những kết quả nghiên cứu về cắt gọt cho thấy rằng khi cắt kim loại, đặc biệt khi cắt ở tốc độ cao thì yếu tố quyết định lớn nhất đến khả năng cắt của dao đó là nhiệt cắt, tiếp đến mới là ma sát.
Khả năng cắt gọt của dao đƣợc đánh giá bởi tuổi bền dao thông qua việc xác định độ lớn của các dạng mài mòn dao cụ thể.
Dƣới tác dụng của nhiệt khi cắt vật liệu của dao sẽ có sự thay đổi về tính chất cơ - lý - hố, đặc biệt độ cứng, độ bền giảm, tính chống mịn cũng giảm... dẫn đến mài mịn dao nhanh chóng, hậu quả là thời gian sử dụng dao vào cắt gọt giảm, dao nhanh chóng mất khả năng cắt gọt.
Tóm lại, nhiệt cắt ngồi ảnh hƣởng trực tiếp đến độ chính xác gia cơng, chất lƣợng lớp bề mặt gia cơng và khả năng cắt gọt của dao, cịn ảnh hƣởng đáng kể đến máy và đồ gá trong hệ thống công nghệ.
4.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến nhiệt cắt khi tiện.
* Ảnh hưởng của vật liệu gia cơng đến nhiệt cắt.
Các tính chất về cơ học và nhiệt của vật liệu gia cơng có ảnh hƣởng đáng kể đến nhiệt cắt. Nhiệt cắt thấp hơn khi gia công hợp kim so với khi gia công thép nhờ khả năng biến dạng nhỏ hơn của hợp kim.
Có thể nhận xét một cách tổng quát rằng khi cắt vật liệu giịn do cơng biến dạng rất bé và lực cắt đơn vị không đáng kể nên nhiệt cắt thấp hơn khi cắt vật liệu dẻo. Độ cứng và độ bền của vật liệu gia công càng lớn thì nhiệt cắt càng lớn do có quan hệ với công biến dạng. Nhiệt cắt cơ bản phụ thuộc vào nhiệt dung và đặc biệt phụ thuộc vào tính chất dẫn nhiệt của vật liệu gia công và vật liệu làm dao.
Ảnh hƣởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt trong điều kiện thí nghiệm cắt với a=1mm, b=1mm và v=1m/ph đƣợc biểu thị bằng hằng số thực nghiệm Cθ.
* Ảnh hưởng của vật liệu làm dao đến nhiệt cắt.
Vật liệu làm dao cũng có đặc tính tƣơng tự nhƣ vật liệu chi tiết gia công. Loại vật liệu dao nào có tính dẫn nhiệt tốt thì khi cắt nhiệt cắt sẽ thấp và ngƣợc lại. Yếu tố quyết định của dao về cao thấp của nhiệt cắt sinh ra là cấu trúc thành phần
Nghiên cứu ảnh hƣởng các thông số đặc trƣng của bơi trơn tối thiểu đến q trình tạo phoi và mịn của dụng cụ khi tiện thép 9XC qua tôi, sử dụng bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) – Chu Ngọc Hùng (chế tạo máy)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
29
hoá học của vật liệu xác định tính tƣơng đồng hố học của nó với vật liệu gia cơng, mặt khác là lý tính của nó nhƣ tính dẫn nhiệt và hệ số ma sát. Ảnh hƣởng của tính dẫn nhiệt sẽ tăng khi tăng tốc độ cắt, giảm góc cắt, giảm chiều dày phoi. Với tốc độ cắt thấp thì ảnh hƣởng của độ dẫn nhiệt nhỏ.
Kích thƣớc thân dao cũng có ảnh hƣởng nhƣ vậy đến nhiệt cắt vì nó ảnh hƣởng đến khả năng dẫn nhiệt của dụng cụ cắt. Kích thƣớc càng lớn thì nhiệt sinh ra khi cắt càng thấp.
* Ảnh hưởng của tốc độ cắt.
Trong các yếu tố cắt thì tốc độ cắt là yếu tố có ảnh hƣởng lớn nhất đến nhiệt cắt. Khi tăng tốc độ cắt thì nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đã đạt đƣợc độ lớn nhất định thì cƣờng độ tăng chậm lại và đƣờng cong của hàm số phụ thuộc θ = f(v) gần tiệm cận với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia cơng.
Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập đƣợc mối quan hệ giữa nhiệt cắt và tốc độ cắt theo công thức sau: C vv. x
Giá trị số mũ xθ phụ thuộc vào vật liệu gia công và vùng vận tốc cắt. Khi v =15-45 m/ph thì xθ = 0,5 đối với gia công thép
và xθ = 0,35-0,45 đối với gia cơng gang. Khi v = 45-180 m/ph thì xθ = 0,23 đối với gia công thép và xθ = 0,18 đối với gia công gang.
* Ảnh hưởng của chiều dày cắt.
Nghiên cứu ảnh hƣởng các thông số đặc trƣng của bơi trơn tối thiểu đến q trình tạo phoi và mòn của dụng cụ khi tiện thép 9XC qua tôi, sử dụng bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) – Chu Ngọc Hùng (chế tạo máy)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
30
Khi tăng lƣợng chạy dao áp lực của phoi trên dao tăng, công ma sát trên mặt trƣớc tăng, nhiệt cắt ở vùng biến dạng bậc nhất tăng, tuy nhiên hệ số co rút phoi giảm, tổng cơng biến dạng cho một đơn vị thể tích giảm, điều kiện truyền nhiệt tốt hơn vì chiều dày phoi lớn lên và diện tích tiếp xúc giữa dao và phoi đƣợc mở rộng, nhiệt cắt vì vậy có tăng nhƣng khơng tăng nhanh nhƣ khi tăng tốc độ cắt.
Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập đƣợc mối quan hệ giữa nhiệt cắt và chiều dày cắt theo công thức sau: C a.ay
Chiều dày cắt ảnh hƣởng đến nhiệt cắt ít hơn so với vận tốc cắt. Khi tăng chiều dày a hay lƣợng chạy dao s thì nhiệt cắt tăng nhƣng khơng phải tăng tuyến tính.
Giá trị trung bình của số mũ yθ từ thực nghiệm: Đối với thép: yθ = 0,3; gang: yθ = 0,2.
* Ảnh hưởng của chiều rộng cắt.
Chiều rộng cắt b (hay chiều sâu cắt t) có ảnh hƣởng đến nhiệt cắt ít hơn so với lƣợng chạy dao.
Khi tăng chiều sâu cắt, một mặt tải trọng trên một đơn vị chiều dài lƣỡi cắt không đổi, mặt khác khi tăng t do θ không đổi nên chiều dài phần làm việc của lƣỡi cắt tuy có tăng nhƣng điều kiện truyền nhiệt tốt hơn. Kết quả là nhiệt cắt thay đổi ít.
Từ kết quả thực nghiệm ta thiết lập đƣợc mối quan hệ giữa nhiệt cắt θ và chiều rộng cắt b nhƣ sau C bb. z
. Ta có đối với thép: zθ = 0,05-0,14 đối với gang
zθ = 0,04
Nghiên cứu ảnh hƣởng các thông số đặc trƣng của bơi trơn tối thiểu đến q trình tạo phoi và mịn của dụng cụ khi tiện thép 9XC qua tôi, sử dụng bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) – Chu Ngọc Hùng (chế tạo máy)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
31
* Ảnh hưởng của các thơng số hình học dao.
Góc nghiêng chính θ, bán kính mũi dao R cũng ảnh hƣởng tới độ lớn của nhiệt cắt, ta dễ dàng nhận biết qua sự thay đổi của chiều dày cắt a và chiều rộng cắt b dẫn đến sự thay đổi mức độ biến dạng và khả năng tản nhiệt.
Để đặc trƣng các ảnh hƣởng này đến nhiệt cắt ta dùng các hệ số điều chỉnh nhiệt cắt Kθθ và KRθ.
Ngồi ra sự mài mịn của dụng cụ làm thay đổi hình dáng hình học phần cắt và góc độ dao cũng làm cho nhiệt cắt thay đổi. Nói chung dụng cụ càng bị mịn thì nhiệt cắt tăng. Dung dịch trơn nguội tƣới vào vùng cắt khi cắt sẽ làm cho nhiệt cắt giảm nhanh vì ngồi tác dụng làm nguội, dung dịch cịn có tác dụng bơi trơn giảm đáng kể ma sát trong quá trình cắt. Tuy nhiên cần phải chọn phƣơng pháp và lƣu lƣợng tƣới phù hợp thì mới tăng hiệu quả giảm nhiệt.
4.3. Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt.
Dung dịch trơn nguội có ảnh hƣởng rất lớn tới nhiệt cắt. Dung dịch trơn nguội có tác dụng:
- Giảm ma sát trong vùng tạo phoi, giảm ma sát giữa phoi với mặt trƣớc của dao, giữa phôi với mặt sau của dao... do đó sẽ làm giảm nhiệt cắt.
- Tải nhiệt ra khỏi vùng cắt, hạn chế tác dụng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt. Đảm bảo nhiệt độ làm việc của môi trƣờng thấp và ổn định. Giúp vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng.
Nghiên cứu ảnh hƣởng các thông số đặc trƣng của bôi trơn tối thiểu đến q trình tạo phoi và mịn của dụng cụ khi tiện thép 9XC qua tôi, sử dụng bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) – Chu Ngọc Hùng (chế tạo máy)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
