2.2 Tuổi bền của dụng cụ cắt
2.2.1 Khái niệm về tuổi bền dụng cụ
Khi nghiên cứu mịn của dụng cụ trong q trình cắt (hình 1.3) Lượng mịn mặt sau ứng với giai đoạn 2 và bắt đầu giai đoạn 3 được dùng tiêu chuẩn mài mòn hợp lý hs và tiêu chuẩn này được sử dụng để xác định tuổi bền dụng cụ cắt. Tuổi bền dụng cụ là khoảng thời gian làm việc liên tục của dụng cụ ứng với tiêu chuẩn mòn cho phép ( [hs] hs ), tuổi bền là thông số rất quan trọng của dụng cụ khi cắt. Tuổi bền dụng cụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố của quá trình cắt (chế độ cắt, vật liệu dụng cụ, thơng số hình học ...) nhưng nhân tố ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi bền dụng cụ là tốc độ cắt, khi tốc độ cắt tăng thì tuổi bền dụng cụ giảm (hình 2.11)
Hình 2.11. Quan hệ giữa tuổi bền và vận tốc cắt.
a)Quan hệ hàm mũ; b) Quan hệ hàm loga (tuyến tính hố quan hệ T-V)
2.2.2 Xác định tuổi bền của dụng cụ khi cắt
Nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố của quá trình cắt đến tuổi bền T bằng phương pháp thực nghiệm (đo độ mòn cho phép mặt sau [hs]). Với các kết quả thực
nghiệm, các đồ thị quan hệ giữa độ mòn, tuổi bền và các nhân tố ảnh hưởng được xác lập. Từ đó xác định được quan hệ giữa tuổi bền và các nhân tố ảnh hưởng.
Quan hệ giữa tốc độ, độ mòn và thời gian được biểu diễn trên hình 2.11. với độ mòn [hs] đã xác định được thời gian làm việc của dụng cụ cắt với các tốc độ cắt khác nhau (t1 với v1, t2, t3 với v2, v3 với v1 <v2 <v3 ; t1, t2, t3 chính là tuổi bền T của dụng cụ
ứng với các tốc độ v1,v2, v3.... ) Hình 2.12 Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và
độ mòn của dao
Khi các yếu tố cắt khác được cố định trên cơ sở đó lập được quan hệ giữa tốc độ cắt và tuổi bền (hình 2.11a và chuyển sang đồ thị lơgarit (hình 2.11b).
Có rất nhiều phương pháp và quan điểm xác định tuổi bền cuả dụng cụ nhưng phương pháp Taylors là phương pháp phổ biến nhất xác định tuổi bền qua giá trị độ mòn cho phép [ hs]. Quan hệ giữa tuổi bền và vận tốc cắt khi tiện ứng với lượng mòn cho phép [ hs] được miêu tả bằng công thức Taylors như sau:
V1.T1m = V2.T2m = V3.T3m = V4.T4m ......= A= const (2-9) Hay V= A (2-10) T m
Trong đó: T- tuổi bền của dao (phút); V- Vận tốc cắt (m/phút) . T1 ,T2, T3 ,.... - Tuổi bền ứng với vận tốc V1 ,V2, V3 ,....
A- Đại lượng không đổi phụ thuộc vào vật liệu gia công,vật liệu làm dao,chiều sâu cắt,lượng chạy dao và điều kiện gia cơng
m- Số mũ nói nên ảnh hưởng của vận tốc tới tuổi bền Để tuyến tính hố quan hệ trên, logarít hai vế biểu thức (2-10) ta có:
Số mũ m được xác định qua đồ thị loga qua hệ V-T như sau: Trong đó: m= tg = lgV i lgT J lgV j lgT I ( i = 1 j ).
là góc độ dốc của đồ thị quan hệ loga T-V, i,j là các điểm trên đồ thị
Giá trị của số mũ m biểu thị mức độ thay đổi tuổi bền theo tốc độ cắt. Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu gia cơng, vật liệu làm dao ....Ví dụ khi cắt bằng thép gió, gia cơng thép, m có trị số lớn hơn khi gia công gang, nhưng khi gia cơng bằng dao HKC thì ngược lại. Thường giá trị của m lớn hơn khi gia công bằng dụng cụ HKC so với khi gia cơng bằng dụng cụ thép gió. Nghĩa là khi tăng tốc độ cắt như nhau thì tuổi bền của thép gió sẽ giảm nhanh hơn hợp kim cứng. Đối với các dụng cụ phủ lớp bề mặt thì giá trị tuổi bền và số mũ ảnh hưởng m đều được cải thiện tốt.
Trong thực tế khi lựa chọn tuổi bền phải dựa vào yêu cầu của quá trình sản xuất. Tuỳ điều kiện cụ thể mà có thể chọn tuổi bền sao cho năng suất cao nhất hoặc giá thành gia công nhỏ nhất.
2.2.2.1. Tuổi bền năng suất (Tns)
Năng suất máy cho một nguyên công được xác định bằng số lượng chi tiết sản xuất ra trong một đơn vị thời gian: Q
=
1
;
tct
Trong đó: - Q là số lượng chi tiết sản xuất ra trong một đơn vị thời gian - tct là thời gian gia công một chi tiết.
Như vậy năng suất sản xuất phụ thuộc vào thời gian gia công chi tiết. Điều kiện để đạt năng suất cao nhất là thời gian gia công một chi tiết là nhỏ nhất.
tct = tm + ttd. + tk Trong đó: tct là thời gian gia công xong một chi tiết (phút).
tk+ - các thời gian phụ khác(phút); tm- thời gian gia công cơ bản (thời gian máy) Thời gian máy phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ cắt và được xác định theo công thức:
C
tm =
Vc (phút).
C - là hằng số được xác định bằng điều kiện cụ thể bởi nguyên công (chiều dài hành trình, lượng chạy dao, chiều sâu cắt...)
Vc là tốc độ cắt (m/ph). Theo quan hệ giữa tốc độ cắt và tuổi bền ta có : V = A
T m
Thay vào cơng thức trên ta có : tm =
C
= C .Tm ;
A / T m 0
C0 là hằng số xácđịnh điều kiện gia công . Số lần thay dao xác định theo công thức:
= tm = T C0 T T 1 = C0.Tm-1 m
Tuổi bền năng suất được biểu diễn theo cơng thức: Tns=
ttd m
trong đó Tns là tuổi bền năng suất, m: số mũ của tuổi bền, ttd là thời gian thay dao. Qua công thức trên ta thấy khi số mũ tuổi bền lớn thì để năng suất cao thì phải chọn
tuổi bền thấp, nếu thời gian thay dao lớn phải chọn tuổi bền cao thì mới đạt năng suất cao (quan hệ giữa năng suất và tuổi bền theo công thức Q = 1 / tct )
2.2.2.2. Tuổi bền kinh tế (Tkt)
Xác định tuổi bền kinh tế là xác định tuổi bền sao cho giá thành gia công chi tiết là nhỏ nhất. Giá thành gia công một chi tiết được xác định như sau:
An=t0E + ttd
E S
Q Q
Ann là giá thành hồn thành một ngun cơng .
S- hao phí chế tạo và sử dụng dụng cụ cắt trong một chu kỳ tuổi bền T. E- giá thành một phút sử dụng máy ( tiền cơng, hao phí sử dụng máy ) . c
Q- số lượng chi tiết gia công trong khoảng tuổi bền T của dụng cụ . Q = T .
tm
Thay tm từ cơng thức trên ta có : Q= T
C T
m
1
C T m 1
Thay vào cơng thức An ta có : An = C0TmE + T(m-1) C0( Ettd+S ).
Để xác định giá thành An nhỏ nhất theo tuổi bền T cần tìm cực tiểu của hàm số An theo T, ta được : dAn = mC Tm-1E +(m-1)C Tm-2( Et +S ) = 0
0 0 td
dT
1 m S
Từ phương trình trên xác định được : Tkt =
m ttd . E Đặt 1 = n T m = ( n- 1) S ttd . E Tốc độ cắt kinh tế : Vkt = (n 1) A S ttd E
Thực tế khi chọn tuổi bền và tốc độ cắt, cần lập biểu đồ quan hệ Q-V, An -V. Trên cơ sở đó xác định Vkt, Tkt hợp lý
2.2.3. Ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ đến tuổi bền T
Thực tế chỉ rõ rằng, ảnh hưởng của tốc độ cắt đến tuổi bền rất lớn, ảnh hưởng của lượng chạy dao tới tuổi bền nhỏ hơn, ngồi ra các yếu tố khác như thơng số hình học phần cắt của đụng cụ, vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ cũng ảnh hưởng tới tuổi bền T. Qua các nghiện cứu thực nghiệm, ảnh hưởng của các yếu tố cắt đến tuổi bền T có thể xác định theo cơng thức : T = (Vc CT 100.1 /100) n S x 0 0 kt
K1 K
(phút)
trong đó: - Vc - tốc độ cắt (m/ph); S - lượng chạy dao - n - số mũ tốc độ cắt n = 1/m.
- K1hệ số hiệu chỉnh chiều sâu cát
- K -hệ số hiệu chỉnh cho góc nghiêng chính
- CT100.1 là tuổi bền tính bằng phút ở tốc độ cắt Vc =100 m/ph và lượng chạy dao s =1,0mm/vòng ở chiều sâu cắt t = 5mm, góc nghiêng chính = 450 cho dụng cụ cắt bằng hợp kim cứng hoặc sành sứ. Khi cắt bằng thép gió thì tốc độ cắt thấp (vc = 20m/ph) nên công thức trên chỉ dùng trong trường hợp tính tốn tuổi bền kinh tế hoặc tốc độ cắt kinh tế.
2.2.3.1. Ảnh hƣởng của vật liệu dụng cụ cắt
Để thấy rõ ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt tới tuổi bền dụng cụ cắt, theo dõi hình 2.13.
- Điều kiện gia cơng: phơi thép SCM440 (HRC30).
- Vật liệu dao cắt: SSM2080, SSM2080C, HSS ( 8mm, 2 lưỡi cắt) - chế độ cắt V=30, 50, 70, 100 m/ph
- lượng chạy dao răng f = 0,04 mm/răng - Ad=12mm
V=30m/ph V=50m/ph Carbide HSS HSS Carbide Coated Carbide Coated Carbide a) Chiều dài cắt (mÐt) b) Chiều dài cắt (mét)
V=70m/ph V=100m/ph HSS Carbide HSS Carbide Coated Carbide Coated Carbide
c) Chiều dài cắt (mét) d) Chiu dài cắt (mét)
Hỡnh 2.13. nh hng ca vt liệu dung cụ cắt tới tuổi bền
Từ hình 2.13.a ta thấy ở tốc độ cắt thấp (v=30m/ph) thì độ mịn mặt sau của vật liệu dụng cụ cắt là hợp kim cứng lại lớn hơn của thép gió và vật liệu carbide phủ. Nhưng ở tốc độ cắt cao hơn (50 70m/ph) thì thép gió mịn nhanh nhất (hình b,c) và ở tốc độ cắt v =100 m/ph (hình d) thì hầu như thép gió khơng làm việc được (chiều dài gia cơng mới đạt 0,9 m mà độ mòn mặt sau đã tới 0,18mm).
Trong tất cả các trường hợp gia công trên, vật liệu dụng cụ cắt carbide có phủ vẫn làm việc tốt. Độ mịn mặt sau vẫn trong khoảng 0,02mm.Ví dụ trên cho thấy vật liệu dụng cụ cắt có ảnh lớn tới tuổi bền, từ đó ảnh hưởng tới năng suất gia cơng.
2.2.3.2. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt, lƣợng chạy dao, thơng số hình học
Như phần trên đã trình bày ảnh hưởng của tốc độ cắt đến tuổi bền rất lớn, ảnh hưởng của lượng chạy dao tới tuổi bền nhỏ hơn, ngoài ra các yếu tố khác như thơng số hình học phần cắt của dụng cụ, vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ cũng ảnh hưởng
Lã ợn g m ßn m Ỉt sa u hs ( Lã ợn g m ßn m Ỉt sa u hs ( Lã n g m òn m t sa u hs ( Lã n g m òn m t sa u hs (
ti tui bn T (hình 2.14) chỉ rõ ảnh hưởng của vận cắt tới độ mòn mặt sau khi cắt thép bằng hợp kim cứng WC + TiC.
80 T(phót)
Hình 2.14. Đồ thị mòn mặt sau (tuổi bền) phụ thuộc vào vận tốc cắt khi cắt thép bằng HKC WC+TiC, t = 1mm; s = 0,3 mm; v=145 m/phút
Từ đồ thị ta thấy, với cùng vật liệu dụng cụ cắt nhưng gia cơng ở các vận tốc cắt khác nhau thì tuổi bền (ứng với độ mịn góc sau hs = 0,8mm cũng khác nhau).
Ví dụ ở tốc độ v =190m/ph. Tuổi bền T =10 phút, trong khi đó nếu ở v = 130m/ph thì T= 60ph.
Hình 2.14 chỉ rõ ảnh hưởng của vận tốc cắt tới độ mòn mặt sau khi cắt thép bằng hợp kim cứng WC + TiC
2.2.3.3. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao tới tuổi bền dụng cụ cắt
Đồ thị hình 2.15 mơ tả ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ mòn mặt sau hs (nghĩa là tới tuổi bền dụng cụ cắt ). Từ đồ thị hình 2.15 ta thấy, ở lượng chạy dao S lớn hơn 0,3mm/vòng, độ dốc của đồ thị tăng nhanh rõ rệt. Ví dụ ứng với trị số độ mòn cho phép mặt sau hs= 0,8, với lượng chạy dao S = 0.375 mm/vịng thì tuổi bền dụng cụ cắt là 25 phút, còn nếu hạ lượng chạy dao xuống là S = 0,118mm/vịng thì tuổi bền dụng
cụ cắt là 60phút. Như vậy lượng chạy dao đã ảnh hưởng rất nhiều tới tuổi bền dụng cụ cắt. h(mm) S=0,3 S=0,118 S=0,53 S=0,42 S=0,375 S=0,235 S=0,118 T(phót)
Hình 2.15. Đồ thị mịn mặt sau phụ thuộc vào lượng chạy dao khi cắt thép bằng HKC WC + TiC; V= 155m/ phút , t=1mm
Hình 2.16 . Đồ thị mịn mặt sau phụ thuộc vào góc nghiêng chính khi cắt thép bằng dao HKC WC + TiC ; t=1mm, s=0,3mm/vòng ; V=155m/ph
2.2.3.5. Ảnh hƣởng của dung dịch trơn nguội
Khi cắt, để giúp cho quá trình cắt được dễ dàng, người ta thường dùng dung dịch trơn nguội. Dung dịch trơn nguội có những tác dụng sau:
- Bơi trơn bề mặt làm việc làm cho quá trình biến dạng dẻo dễ dàng hơn và do đó làm giảm cơng tiêu hao khi cắt.
- Làm nguội dụng cụ cắt và chi tiết gia công khiến cho nhiệt độ cắt giảm thấp, nâng cao được tuổi bền dao, cuốn phoi ra khỏi khu vực cắt.
Thường khi đặt một vật rắn bất kỳ ngồi khơng khí, lớp bề mặt của nó sẽ hấp thụ những phần tử khơng khí tạo nên một màng mỏng bao quanh có chiều dày khoảng 10-7 mm. Màng này có tác dụng làm giảm được ma sát giữa các vật thể đóng vai trị như một màng bơi trơn, áp suất và nhiệt độ khi cắt kim lọai rất cao nên màng bôi trơn do dung dịch trơn nguội tạo thành phải chịu được áp suất và nhiệt độ tới hạn cao. Muốn vậy người ta cho thêm vào dung dịch trơn nguội những chất hoạt tính bề mặt như
mỡ,dầu thực vật...có tác dụng tạo nên màng, bám chắc trên bề mặt kim loại Ví dụ như sulphit chịu đuợc nhiệt độ trên 8000C. Nhờ có màng bơi trơn nói trên, hệ số ma sát khi cắt có thể giảm xuống từ 3 tới 5 lần tuỳ theo điều kiện gia cơng. Ví dụ giữa tiện với phay, dễ dàng thấy rằng khi phay hệ số ma sát nhỏ hơn vì rằng dao phay làm việc không liên tục nên màng bôi trơn có điều kiện hình thành dễ dàng hơn. Cịn khi tiện, điều kiện hình thành những màng hấp thụ đó khó khăn hơn nhiều.Khi tiện với tốc độ cắt cao,áp lực trên mặt trước có thể rất lớn (vào khoảng 1900-2500N/ mm2, nhiệt độ cắt cao, sự tiếp xúc giữa phoi cắt và mặt trước của dao là tiếp xúc chặt.Trong điều kiện đó, dung dịch trơn nguội chỉ có thể xâm nhập vào khu vực cắt nhờ có những khoảng chân khơng hình thành giữa dao và phoi. Khoảng chân khơng như vậy có thể hình thành nhờ có lẹo dao, lúc lẹo dao bị cuốn đi giữa dao và phoi hình thành một khoảng trống, lớp kim loại biến dạng dẻo không thể lập tức điền đầy khoảng trống đó, và dung dịch trơn nguội được hút vào thay thế.
Chân khơng cũng có thể hình thành do việc tách các kim loại dính ra khỏi mặt trước của dao và dung dịch trơn nguội lập tức được hút vào, thay thế. Ở tốc độ cắt thấp, sự tiếp xúc của dao và phoi có thể khơng phải là tiếp xúc chặt nên dung dịch trơn nguội có thể xâm nhập vào những vết nứt tế vi. Nó gây tác dụng như một cái chêm, làm giảm lực liên kết giữa các nguyên tử, khiến cho lớp kim loại dễ bị biến dạng dẻo và quá trình cắt được dễ dàng.Tác dụng của dung dịch trơn nguội càng rõ khi cắt phoi mỏng. Khả năng làm lạnh của dung dịch trơn nguội càng lớn khi nhiệt hoá hơi, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của nó càng lớn, nhờ đó tuổi bền cuả dao tăng lên và biến dạng nhiệt do dao giảm đi. Tuỳ theo thành phần của dung dịch trơn nguội và điều kiện cắt,nhiệt độ có thể giảm 70 1300C.
Tác dụng bôi trơn của dung dịch trơn nguội thể hiện ở chỗ các phần tử của dung dịch trơn nguội bao quanh các phân tử của phoi làm cản trở sự dính, giúp phoi thốt được khỏi khu vực cắt một cách dễ dàng.
2.2.3.6. Tác động của lớp phủ đến mòn và tuổi bền của dụng cắt
Kết quả chủ yếu khi sử dụng lớp phủ là ma sát giảm, nhiệt phát sinh khi cắt thấp, lực cắt giảm, giảm sự dính bám với chi tiết gia công dẫn tới lượng vật liệu dụng cụ mất đi do dính bám khi cắt giảm. Tăng độ cứng bề mặt dẫn tới giảm mài mòn, giảm sự khuyếch tán bởi sự cản trở khuyếch tán và tính chất ổn định hố học của lớp phủ.
Từ những kết quả đạt được của vật liệu lớp phủ đã trình bày trên, yêu cầu lớp phủ phải có các đặc trưng sau: Dính bám thấp với vật liệu gia cơng nhưng phải dính