2.2.2. Động học q trình tạo hình
Các thơng số cắt bao gồm [3]:
- Tốc độ cắt chính Vc (�/�ℎút) là chuyển động cắt chính tạo ra phoi. Chuyển động cắt chính có thể là chuyển động quay trịn (tiện, phay…), có thể là chuyển động tịnh tiến (bào, xọc…)
- Tốc độ tiến dao (lượng chạy dao) F là lượng dịch chuyển theo phương của chuyển động chạy dao sau một vòng quay của chuyển động cắt chinh (mm/vòng), hoặc sau một phút (mm/phút).
- Chiều sâu cắt t(mm) là khoảng cách giữa bề mặt chưa gia công và bề mặt đã gia cơng đo theo phương vng góc với bề mặt đã gia cơng.
Phân tích lực trong q trình cắt [3]:
Trong quá trình cắt, dao tác dụng lên lớp cắt một lực làm cho lớp cắt biến dạng và tạo thành phoi. Để chống lại ngoại lực, lớp cắt tác dụng vào dao (mặt trước và mặt sau) một lực - lực do biến dạng. Khi cắt phoi trượt lên mặt trước, mặt sau trượt trên bề mặt gia công tạo ra các lực ma sát. Lực chống lại lực biến dạng và ma sát tác dụng lên dao là lực cắt. Hợp các lực tác dụng lên mặt trước theo phương pháp tuyến với mặt trước là � ⃗_� và theo tiếp tuyến với mặt trước là � ⃗_�. Hợp hai lực tác dụng lên mặt trước là lực � ⃗_� = � ⃗_�+ � ⃗_� như hình 2.2.
Hình 2. 2. Lực cắt - sơ dồ lực tác dụng lên dao. [3]
Hợp các lực tác dụng lên mặt sau theo phương pháp tuyến là � ⃗_�, và theo hướng tiếp tuyến là � ⃗_�. Hợp hai lực � ⃗_�và � ⃗_� là lực Q ⃗_2 = � ⃗_�+ � ⃗_� tác dụng lên mặt sau. Hợp hai lực � ⃗_� và � ⃗_� ta có lực cắt � ⃗.
2.3! Sự hình thành bề mặt và chất lượng hình học tế vi bề mặt
2.3.1. Thơng số hình học lớp kim loại bị cắt
Thơng số hình học lớp cắt được định nghĩa như hình 2.3 [3]:
Chiều dày lớp cắt a (mm) là chiều dày lớp kim loại bị cắt đo theo phương vng góc với hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt đáy [3].
� = � × ���� (2.1) Chiều rộng cắt b(mm) là chiều rộng cắt đo theo chiều dài lưỡi cắt chính trên mặt đáy. � = �/��� � (2.2) Từ phương trình (2.1) và (2.2) ta tính được diện tích cắt A (mm2) như ở phương trình (2.3)
Hình 2. 3. Thơng số hình học lớp cắt. [3]
2.3.2. Diện tích cắt dư - chiều cao nhấp nhơ hình học H
Như đã phân tích ở trên, dụng cụ cắt là các lưỡi cắt đơn điểm hoặc tập hợp các lưỡi cắt đơn điểm. Vì vậy diện tích cắt danh nghĩa và diện tích cắt thực là khác nhau. Diện tích phần cắt thực ít hơn diện tích cắt danh nghĩa. Phần diện tích chênh lệch được định nghĩa là diện tích cắt dư.
Giả sử lưỡi cắt thẳng có bán kính r = 0 (hình 2.4 (a)), diện tích cắt danh nghĩa A= b là diện tích hình bình hành ABEF, diện tích cắt thực tế là diện tích hình tứ giác ACEF, do đó diện tích cắt dư ABC có chiều cao nhấp nhơ H.
Thực tế dao cắt ln có bán kính r > 0 (hình 2.4 (b)), tuy vậy vẫn sẽ tồn tại cùng diện tích cắt dư tại giữa 2 vị trí dao và tồn tại chiều cao nhấp nhơ H.
Như vậy có thể kết luận, các bề mặt hình học kỹ thuật được gia cơng bằng các dao cắt đơn điểm không phải là các bề mặt trơn nhẵn mà luôn tồn tại các đỉnh nhấp nhơ có chiều cao H. Từ các quan hệ hình học cũng như nghiên cứu thực nghiệm, người ta kết luận chiều cao nhấp nhô H phụ thuộc vào các yếu tố sau đây [18a]:
- Chiều cao nhấp nhơ hình học của bề mặt H phụ thuộc vào trị số lượng chạy dao F, góc �, φ_1.
- Chiều cao nhấp nhơ hình học H sẽ giảm khi tăng bán kính mũi dao r và giảm lượng chạy dao F, góc �, φ_1.
- Thực tế chiều cao nhấp nhơ bề mặt cịn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như: biên dạng dư, đàn hồi, rung động, …
Chiều cao nhấp nhơ hình học H do dao cắt có bán kính r, cắt với tốc độ tiến dao S có thể tính gần đúng như sau [3]:
� = �;�!− ∀!# (2.4)
2.4! Các phương pháp gia cơng hồn thiện bề mặt truyền thống.
2.4.1! Cơ sở và các phương pháp gia cơng hồn thiện bề mặt truyền thống.
Như ta đã phân tích ở trên, các nhấp nhơ bề mặt để lại sau q trình gia cơng là đặc điểm hình học đặc trưng của dao cắt đơn điểm trong phương pháp gia cơng bao hình. Biết được các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt như chế độ cắt, hình học dao cắt nên cơ sở cho các phương pháp gia cơng hồn thiện hồn tồn dựa vào việc điều chỉnh các thơng số trên.
- Điều chỉnh chế độ cắt, giảm lượng chạy dao S (mm/vg), giảm chiều sâu cắt t (mm).
- Sử dụng dao cắt có bán kính mũi dao r > 0, tăng số lượng lưỡi dao, sử dụng các
Một số phương pháp gia cơng hồn thiện bề mặt truyền thống thực tế: Phương pháp tiện tinh, phay tinh… trong các q trình này ta có thể nhận thấy các thơng số cắt thường được điều chỉnh với lượng chạy dao S (mm/v) và chiều sâu cắt t (mm) rất nhỏ. Các loại dao phay tinh thường có bán kính nhỏ, số lượng răng nhiều.
Các phương pháp gia công tinh lỗ, rãnh như: doa, chuốt…cũng dựa trên các cơ sở trên, dao doa và dao chuốt có số lượng răng cắt lớn, chiều sâu cắt qua của mỗi lần doa khoảng 0.05mm. Dao doa còn được làm với lưỡi cắt chính dài (đa điểm) thay vì lưỡi cắt đơn điểm.
Phương pháp gia công mài là phương pháp gia cơng tinh cho độ hồn thiện bề mặt tốt nhất có thể đạt đến 0,025 [12], gia cơng được đa dạng các dạng bề mặt với nhiều dạng gia công mài khác nhau. Đặc điểm chung của phương pháp mài bao gồm [12]:
- Tốc độ cắt rất cao, một số phương pháp như mài ngoài, mài phẳng, đánh bóng, …, vận tốc cắt có thể đạt từ 1000 - 2000 (m/ph) thậm chí lên đến trên 5000 (m/ph).
- Chiều sâu cắt t (mm) thấp có thể đạt tới 0,0075.
- Về bản chất các hạt mài đa cạnh cũng như các dao cắt đơn điểm (có góc trước, góc sau).
2.4.2! Vấn đề tồn tại ở các phương pháp gia cơng hồn thiện truyền thống.
Đề gia cơng các bề mặt tinh thì các phương pháp gia cơng hồn thiện truyền thống dựa trên việc điều chỉnh cấu tạo hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt với vận tốc cắt rất cao, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt thấp. Điều này dẫn đến một số khó khăn sau:
- Các loại dao phục vụ gia cơng tinh thường có cấu tạo phức tạp hơn dẫn đến chi phí chế tạo dao cao.
- Phương pháp điều chỉnh chế độ cắt cũng có giới hạn riêng. Để đảm bảo năng suất, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt không thể quá thấp.
- Tuy nhiên, một vấn đề lớn của các phương pháp truyền thống là khi gia công tinh các bề mặt nhỏ như các rãnh, lỗ, lồng khn…Như đã phân tích ở trên, các phương pháp gia cơng tinh có vận tốc cắt rất cao. Đơn cử như các phương pháp mài
có thể lên đến 2400-5200 (m/phút) [12]. Từ vận tốc cắt như ở phương trình (2.5), ta có thể tính tốc độ quay trục chính qua phương trình (2.6).
�� = � × � × �/�. ��� (2.5) � = �. ��� × ��/(� × �) (2.6) Trong đó, S (vịng/phút) là tốc độ quay trục chính; Vc (m/phút) là vận tốc cắt bề mặt; d(mm) là đường kính dao hoặc chi tiết.
Như vậy có thể thấy khi diện tích cần gia cơng rất nhỏ như các lỗ, rãnh, hốc địi hỏi đường kính dụng cụ nhỏ dẫn đến tốc độ quay trục chính rất cao, để có thể đạt được vận tốc cắt của các phương như mài, đánh bóng.
2.5! Xác định các thông số cơ bản của hệ siêu âm. 2.5.1! Cơ sở chọn tần số và biên độ dao động.
Để có thể đạt hiệu quả tốt trong q trình gia cơng cũng như có dữ liệu đầu vào cho cho việc thiết kế dụng cụ ta cần xác định tần số và biên độ dao động phù hợp. Vận tốc dao động cực đại được tính qua phương trình (2.7) [12].
V∃%&∋(m/s) = 2 × π × Ao × f (2.7) Trong đó Vtmax (m/s) là vận tốc dao động cực đại; Ao(m) là biên độ dao động;
�(��) là tần số dao động.
Trên cơ sở các nghiên cứu khoa học cho thấy, đối với phương pháp truyền dao động siêu âm theo phương vng góc vận tốc cắt (phương tiến dao) sẽ có hiệu quả khi vận tốc dao động lớn hơn hoặc bằng vận tốc tiến dao [12],
�����(�/�) ≥ �×�
����� (2.8) Trong đó F là lượng chạy dao vịng (mm/vg) và S (vịng/ph) là tốc độ quay trục chính.
Trên thị trường hiện nay bán sẵn các đầu dò siêu âm (transducer) với các tần số khác nhau, vì vậy ta có thể cố định giá trị tần số � và tính giá trị biên độ dao động Ao nhỏ nhất cần đạt được. Từ phương trình (2.7) và (2.8) suy ra phương trình tính giá trị biên độ dao động Ao.
�� ≥ �×�
Q trình thiết kế sẽ khơng thể đạt được chính xác giá trị biên độ tính tốn, tuy nhiên với tần số dao động xác định ta phải đảm bảo biên độ dao động lớn nhất có thể và lớn hơn giá trị tính tốn tại phương trình (2.9).
Như vậy, ta có thể tính biên độ dao động tối thiểu ở các mức tần số khác nhau tương ứng với các mức vận tốc dao động cực đại khác nhau đồng thời kết hợp với mức công suất cần thiết để lựa chọn chế độ dao động phù hợp. Về cơ bản, vận tốc dao động càng lớn khả năng xố bỏ các đỉnh nhấp nhơ càng cao.
Bên cạnh đó, để có thể chọn tần số và biên độ dao động trước hết phải xác định được chế độ cắt. Vật liệu dùng làm thực nghiệm và chế độ cắt được cho dưới Bảng 2.1.
Bảng 2. 1. Vật liệu thực nghiệm và thông số cắt.
Thông số Giá trị
Vật liệu gia công Nhôm Vận tốc cắt Vc – (m/ph) 100 Lượng chạy dao S – (mm/vg) 0.05 Chiều sâu cắt t – (mm) 0.1 Tốc độ trục chính n (vg/ph) 1000
2.5.2! Cơ sở tính cơng suất nguồn siêu âm.
Như đã trình bày ở chương tổng quan, các nguồn siêu âm có các mức cơng suất rất đa dạng tuỳ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng. Đối với các ứng dụng thường thấy trong ngành kỹ thuật cơ khí như gia cơng siêu âm hay hàn siêu âm, công suất nguôn thường trên 500 W, tuy nhiên trong ứng dụng này nguồn siêu âm cần cung cấp đủ năng lượng lượng để làm phẳng các đỉnh nhấp nhô chỉ vài �� nên công suất nguồn sẽ khơng cao. Để tính cơng suất bóc tách vật liệu có nhiều phương pháp khác nhau, ở đây sẽ sử dụng phương pháp tính cơng suất thơng qua năng lượng cắt riêng.
Năng lượng cắt riêng được định nghĩa là năng lượng cần thiết bóc tách một thể tích vật liệu trong đơn vị thời gian và được tính theo phương trình (2.10) [12]:
U(J/mm4
Trong đó, U (J/mm3) là năng lượng lượng cắt riêng của vật liệu. Pc (W) là công suất cắt cần thiết; MRR (mm3/s) là lượng vật liệu bóc tách. MRR phụ thuộc vào chế độ cắt và được xác định bằng phương trình (2.11).
MRR (mm3/s) = Vw× � × � (2.11) Với: Vw (��/�) là vận tốc trên phương bóc tách vật liệu; t (mm) là chiều sâu lớp cắt và b (mm) là bề rộng lớp cắt.
Từ phương trình (2.10) và (2.11) ta có thể xác định cơng suất cần thiết để bóc tách vật liệu như ở phương trình (2.12).
�c (�) = � × MMR = �× Vw× �×� (2.12)
Bảng 2. 2. Năng lượng cắt riêng của vật liệu với chiều sâu t = 0,25 mm
Giá trị được cho ở Bảng 2.2 dựa trên hai điều kiện giả định: (1) dụng cụ cắt vô cùng sắc và (2) chiều dài phoi trước khi cắt (chiều sâu lớp cắt) to = 0.25 mm. Để có thể sử dụng ở các điều kiện cắt và các chiều sâu cắt khác nhau ta cần nhân thêm các hệ số ảnh hưởng. Đối với q trình gia cơng tinh cần nhân thêm hệ số ảnh hưởng với giá trị 1.1 [6]. Đối với các độ dày to khác nhau hệ số ảnh hưởng tra theo biểu đồ cho ở hình 2.5 [12].