Dao phay lăn răng là loại dụng cụ gia cơng răng theo phương pháp bao hình các chuyển động cắt khá phức tạp, điều kiện cắt khó khăn. Mịn của dao phay lăn răng về cơ bản cũng dựa trên các nghiên cứu cơ bản về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt. Nhưng do điều kiện cắt và q trình gia cơng phức tạp, vì vậy cần có những nghiên cứu cụ thể trong điều kiện cắt nhất định. Dao phay lăn răng đĩa xích là loại dao phay lăn, cắt với tiếp xúc biên dạng lớn, chế độ cắt nặng nề, do vậy q trình mịn khá phức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tạp, cần phải có những nghiên cứu thực nghiệm về mịn để đánh giá ảnh hưởng của mòn tới tuổi bền dụng cụ và chất lượng cũng như độ chính xác gia cơng.
1.4. Kết luận chƣơng 1
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về mòn của dụng cụ cắt cũng như mòn của dao phay lăn răng.Tác giả thấy rằng nghiên cứu mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt là rất cần thiết để nâng cao chất lượng và độ chính xác của q trình gia cơng sản phẩm. Do vậy định hướng nghiên cứu của đề tài là: “Nghiên cứu mòn và tuổi bền dao phay lăn răng đĩa xích thép gió sản xuất tại Việt Nam”
CHƢƠNG 2
NGHIÊN CỨU MÒN VÀ TUỔI BỀN CỦA DỤNG CỤ CẮT 2.1. Các nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt
Mài mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp, xảy ra theo các hiện tượng lý hoá ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công. Khi bị mài mịn, dạng và thơng số hình học phần cắt của dụng cụ thay đổi và gây nên các hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt (nhiệt cắt, lực cắt, rung động...) làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công, ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt từ đó làm giảm năng xuất và tăng giá thành của sản phẩm. Để đưa ra những định hướng nghiên cứu phù hợp với mục tiêu của đề tài, ta nghiên cứu và khảo sát một số mơ hình và kết quả nghiên cứu đã được cơng bố về mịn và tuổi bền của dụng cụ cắt. Các hiện tượng mịn xuất hiện ở dụng cụ cắt như hình 2-1
Hình 2.1. Mơ hình mịn dụng cụ cắt [1]
- a: Mịn do khuếch tán. - b: Mòn do cào xước.
- c: Mịn do kim loại bị ơxi hố ở to 800oC.
- d: Mịn do dính bám dẫn tới hiện tượng tróc lớp bề mặt.
Chiều cao vết mòn mặt sau hs của dụng cụ cắt được dùng làm chỉ tiêu đánh giá q trình mịn. Lượng mịn mặt sau hs của dao được xác định theo cơng thức:
hs C1 (2-1)
Trong đó: - là thời gian cắt, C1 là hệ số:
C C .V C3 .SC4
.tC5
(2-2)
Với C0, C3, C4, C5 là các hệ số và số mũ phụ thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể và được xác định bằng thực nghiệm.
Q trình mịn phụ thuộc chủ yếu vào thời gian cắt và tốc độ cắt v (hình 2.2)
C2
0 1
Hình 2.2. Đồ thị mịn theo thời gian
Khi lượng mòn dao hs = [hs] (lượng mịn dao cho phép) thì = T (tuổi bền của dao). Người ta cũng có thể biểu diễn tuổi bền T dưới các dạng sau:
T = A1.vA2 (2-3)
T = A3.vA2.SA4 (2-4)
T = A5.vA2.SA4.tA6 (2-5)
Trong đó A1 A6 là các hệ số và số mũ phụ thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể và được xác định bằng thực nghiệm. Khi cắt kim loại ln ln có:
A1, A3, A5 > 0 A2, A4, A6 < 0
A2 A4 A6
Biểu thức (2-3) cho thấy tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất tới tuổi bền T như hình 2.3.
Hình 2.3. Quan hệ giữa tuổi bền T và vận tốc cắt V
Biểu thức (2-5) phản ánh đầy đủ ảnh hưởng của bước tiến dao và chiều sâu cắt tới tuổi bền của dụng cụ. Tuy nhiên số mũ A6 thường rất nhỏ (A6 0) do đó tA6 1 cho nên khi tính tốn người ta bỏ qua ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới tuổi bền của dao và thường lấy T theo biểu thức (2-4).
Hệ số A3 được biểu diễn như sau:
A3 = A30.A31.A32…A3pp (2-6)
Trong đó A3i là các hệ số xét đến ảnh hưởng của các yếu tố đặc trưng cho các điều kiện cắt cụ thể tới tuổi bền T, ở đây đặc biệt chú ý tới ảnh hưởng của cặp vật liệu gia công - vật liệu dụng cụ cắt.
A3pp là hệ số đặc trưng cho ảnh hưởng của phương pháp gia công tới tuổi bền T và được xác định bằng thực nghiệm.
Biểu thức (2-3) có dạng hàm số mũ và là phương trình tính gần đúng của tuổi bền xác định bằng thực nghiệm. Mặt khác từ kết quả xác định bằng thực nghiệm như hình 2.3 ta thấy hệ toạ độ logarit quan hệ giữa tuổi bền T và vận tốc cắt Vc là quan hệ tuyến tính, từ đồ thị ta có: Log T logC V K.logVC LogV c logC T 1 logT Do đó: T = CV.VCK (2-7) K
Hay VC = CT.T1/K (2-8) Với K = -tg Vc , CV
K T
Hình 2.4. Phạm vi sử dụng của mơ hình tuổi bền T = Cv.Vk
Các mơ hình (2-7), (2-8) được xác định trong khoảng Tmin < T < Tmax, Các hệ sốCv, CT và số mũ k tương ứng với mỗi cặp vật liệu gia cơng, vật liệu dụng cụ cắt có ý nghĩa rất quan trọng trong việc sử dụng mơ hình mài mịn khi tiến hành nghiên cứu tối ưu hố q trình cắt gọt.
Theo kết quả nghiên cứu của M. Y. Noordin và các đồng nghiệp nghiên cứu với dụng cụ cắt phủ PVD-TiAlN gia công thép không rỉ ở độ cứng 47-48 HRC với kết quả mịn theo thời gian như hình 2.5
C
Hình 2.5. Q trình mịn theo thời gian Bảng 2.1. Tuổi bền của dụng cụ cắt [12]
Từ đường giới hạn mòn cho phép hình 2.5, nghiên cứu đã xác định được tuổi bền của dụng cụ cắt trong khoảng 2.5 đến 30.56 phút như bảng 2.1, kết quả trên bảng 2.1 cho thấy vận tốc cắt V và lượng chạy dao S càng nhỏ thì tuổi bền của dụng cụ cắt càng cao và được thể hiện chi tiết hơn trên đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao với tuỏi bền của dụng cụ cắt như hình 2.6 và hình 2.7
Kết quả nghiên cứu cịn được tác giả phân tích cơ chế mịn của dụng cụ trên ảnh (SEM) như hình 2.8 và 2.9.
Hình 2.8. Mài mịn do khuếch tán Hình 2.9. Mài mịn do chảy dẻo
Khi cắt ở vận tốc cao dưới tác dụng của lực cắt và nhiệt cắt đã gây biến dạng dẻo lớn nên đã xảy ra hiện tượng hoà tan lẫn nhau giữa vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu gia công, kết quả là một phần vật liệu dụng cụ bị khuếch tán lẫn nhau trong q trình cắt, từ đó hình thành các vết nứt tách rồi phá huỷ lưỡi dao [12] như hình 2.10. Đây là cơ sở khoa học để kiểm nghiệm kết quả của nghiên cứu này.
Hình 2.10. Sự hình thành các vết nứt mảnh dao
Mơ hình và kết quả nghiên cứu này đã xác định được chế độ cắt tối ưu theo chỉ tiêu về tuổi bền của dụng cụ cắt.
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