1.3.3.1. Nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất
Theo Trent thì phần lớn công suất sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất biến thành nhiệt [11]. Tốc độ nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thể tính gần đúng trên mặt phẳng cắt theo công thức:
S S
AB A V
k d Q
. dt .
W
1 =
= (1-15) Trong đó:
kAB là ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất AS là diện tích của mặt phẳng cắt
= Φ sin
b t1 AS
Vs là vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng
) cos(
cos γ γ
−
= C Φ
S V
V
Tuy nhiên chỉ một phần nhiệt β.Q1 truyền vào phôi, phần còn lại (1-β)Q1truyền vào thể tích As.Vn của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ T trong vùng biến dạng thứ nhất, β có thể lớn đến 50% khi tốc độ thoát phoi thể tích thấp, vật liệu cắt có hệ số dẫn nhiệt cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.18: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi [11].
Khi tốc độ thoát phoi thể tích cao thì β được xác định bằng đồ thị thực nghiệm của Boothroyd thông qua hệ số nhiệt
1
.1
. .
k t V RT = ρc C
như trên hình 1.18. Trong đó k t là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công.
) 1 ) (
cos(
. .
cos ) sin cos
) ( 1 . ( .
.
1
1 β
γ ρ
β γ
ρ Φ− −
Φ
−
= Φ
−
=
∆ ctb
F F
V c
V
T k C
n S
AB (1 -16)
Phần lớn nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất truyền vào phôi và bị mang đi theo phoi mà không truyền vào dụng cụ do nhiệt độ trên mặt trước cao hơn hẳn nhiệt độ trong vùng tạo phoi [11].
1.3.3.2. Nhiệt trên mặt trước (QAC) và trường nhiệt độ
Qua các công trình nghiên cứu [11], [41], [43], [42] cho thấy rằng nhiệt sinh ra trên mặt trước của dụng cụ do ma sát giữa phoi, mặt trước và biến dạng dẻo của lớp phoi sát mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra. Theo Jun và Smith [44] thì nhiệt sinh ra trên mặt trước chỉ vào khoảng 20% tổng số nhiệt sinh ra trong quá trình cắt, nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyền vào dao và có ảnh hưởng quyết định đến tuổi bền của nó.
Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước và quy luật chuyển động của lớp phoi dưới cùng còn có nhiều tranh cãi nên chưa có một công thức duy nhất để tính tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước [8]. Ví dụ, theo Trent thì nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà biến dạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao của các lớp phoi gần mặt trước là nguồn nhiệt chính sinh ra nhiệt độ cao trong dao [11]. Ông đã đưa ra công thức để tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2
/ 1 1
. . .
. . ) 2
0 ,
(
=
p m
S
V K
x x c
T ρ π
δ γ τ
(1-17)
Nhưng Tay, Li và các đồng nghiệp lại cho rằng phần nhiệt sinh ra do ma sát của phoi trên mặt trước là đáng kể và đưa ra các công thức tính tốc độ sinh nhiệt riêng (q2) khác nhau dựa trên các mô hình khác nhau về mô hình ứng suất và phân bố vận tốc của lớp phoi dưới cùng trên mặt trước [45], [42].
1.3.3.3. Nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD) và trường nhiệt độ
Nhiệt sinh ra trên mặt sau của dụng cụ chỉ có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ phát triển trong dao khi lượng mòn mặt sau đủ lớn. Do bề mặt mòn mặt sau được coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp xúc coi như phân bố đều. Haris đã xác định được quan hệ của Fc và Ft trong mặt cắt trực giao và được đề cập trong công trình của Li như sau:
t K VB F
F F F
F ave
c e
c cf
c
c − =
∆ =
t K VB F
F F F
F ave
t t
t tf t
t − =
∆ =
(1-18)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.19: Sơđồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn
Trong đó: Fc và Ft là lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến với mặt sau, Fcf và Ftf là lực cắt khi dao mòn, VBave là chiều cao mòn trung bình, t là chiều sâu cắt (hình 1.19).
Hệ ma sát trên mặt sau được xác định bằng công thức:
t c t c
t F
F K K .
à = (1-19) Với Kc và Kt là các hệ số thực nghiệm.
Tốc độ sinh nhiệt q3 trên mặt sau là:
b F t V
q c c
. . 1 . . 0671 ,
3 =0 (1-20)
Nhiệt từ ba nguồn trên là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ trong dao, giảm độ cứng nóng của vật liệu gia công vì thế xác định trường nhiệt độ trong dụng cụ có ý nghĩa rất quan trọng. Có thể xác định trường nhiệt độ này bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết [8]
1.3.3.4 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt và trường nhiệt độ trong dụng cụ
Trong tất cả các yếu tố ảnh hưởng thì vận tốc cắt ảnh hưởng tới nhiệt cắt nhiều nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Từ công thức
427
Q= PzV Kcl/phút (1- 21)
θ
Hình 1.20 : Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt độ cắt
1. Thép austenit mangan 2. Thép Cacbon 3. Gang 4. Nhôm Ta thấy V tăng, Q tăng. Mặt khác khi V tăng đến giá trị nào đó thì V tăng lực Pz giảm. Do đó V tăng, Q tăng nhưng không tỷ lệ với V (ở mức độ chậm hơn).
Vận tốc cắt càng tăng thì thời gian tỏa nhiệt từ phoi vào chi tiết gia công và dụng cụ cắt càng giảm nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt phần lớn là đi theo phoi (phoi là nguồn nhiệt chính). Nguồn nhiệt làm nóng dụng cụ cắt bây giờ chủ yếu là công thắng lực ma sát giữa phoi và mặt trước, mặt sau và phôi, nó tăng lên cùng với việc tăng vận tốc cắt. Nhưng vận tốc cắt càng cao thỡ nhiệt cắt tăng càng chậm (do à giảm) và tiệm cận với đường nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công (hình 1.20) vì công thắng lực ma sát không tăng nữa.
Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa θ và V theo công thức sau : θo = Cl.Vu (1-22)
θo : Nhiệt cắt
Cl : Hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công (vật liệu gia cô ng, chiều sâu cắt, dung dịch trơn nguội, thông số hình học dụng cắt… ).
u : số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt
θ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
u = 0,26 ÷ 0,72 chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu gia công, phương pháp gia công (θ < u < 1) thể hiện nhiệt cắt tăng chậm hơn V).