1.2. L ực cắt khi tiện
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt
Ta đã biết, để thực hiện quá trình tạo phoi, khi cắt dụng cụ phải tác động vào vật liệu gia công một lực nhất định. Lực này làm biến dạng vật liệu và phoi được hình thành. Tuy nhiên dụng cụ cắt cũng chịu một phần lực tương tự. Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Trong thực tế, những nhận thức về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính toán và thiết kế máy móc, thiết bị … Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ. Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt. Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt. Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hóa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
lý thuyết quá trình cắt. Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng. Điều đó có nghĩa là một mặt lực cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại sự tách phoi, mặt khác lực cắt do dụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [4], [6].
Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là một hằng số. Lực cắt được biến đổi theo quãng đường của dụng cụ. Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại.
Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi tiết gia công. Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến dạng phần tử khác [4], [6].
Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hình 1.9. Lực tổng hợp P được phân tích thành ba thành phần lực bao gồm : lực tiếp tuyến Pz (hay Pc), lực hướng kính Py (hay Pp) và lực chiều trục (lực ngược với hướng chuyển động chạy dao) Px.
Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện
Thành phần lực Pz là lực cắt chính. Giá trị của nó cần thiết để tính toán công suất của chuyển động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết cơ cấu chuyển động chính và các chi tiết khác của máy công cụ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt.
Thành phần Px tác dụng ngược hướng chạy dao, nó dùng để tính độ bền của chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu hao của cơ cấu chạy dao.
Lực cắt tổng cộng được xác định:
P = Px2 + Py2 + Pz2 (1- 5) Trường hợp tổng quát các thành phần lực này không thuần nhất. Trị số của Pz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trước của dao. Còn lại Px, Py phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực ma sát.
Bởi vậy các thành phần lực này thay đổi khi thay đổi vật liệu gia công, thông số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt, …
Lực cắt khi gia công vật liệu có độ cứng cao không cao hơn so với khi gia công vật liệu có độ cứng thấp trong cùng điếu kiện. Góc tạo phoi lớn và phoi dạng răng cưa do tính dẻo của vật liệu gia công kém làm giảm lực cắt mặc dù độ bền của vật liệu cao. Khi gia công thép 0,25% các bon thay đổi độ cứng đến HV500 sử dụng dao có góc trước 0o, lực cắt hầu như độc lập với độ cứng. Mặt khác khi sử dụng góc trước -20o, khi tăng độ cứng của phôi cả lực cắt và lực hướng kính đều giảm. Tăng góc trước âm có tác dụng làm tăng thành phần lực cắt hướng kính đáng kể [14].
Khi tiện thép thấm các bon, ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN với γ = - 6o và α = 0o, các thành phần lực cắt Pz và Pytăng nhanh theo chiều dài cắt còn thành phần Px tăng hầu như không đáng kể theo chiều dài cắt.
Thành phần lực cắt Py luôn là thành phần lớn nhất do góc trước âm lớn biến đổi dọc theo bán kính của lưỡi cắt chỉ ra trên hình 1.10 [12].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN
với γ = - 6o và α = 0o.
Liu và đồng nghiệp [17] được sử dụng dao PCBN – L với 60% CBN và TiN làm chất dính kết khi gia công thép vòng b i tôi cứng đến 60 ÷ 64 HRC. Họ đã phát hiện ra rằng lực cắt giảm dần khi tăng độ cứng của vật liệu gia công đến 50 HRC. Khi độ cứng vượt quá 50 HRC phoi dây dạng răng cưa xuất hiện và lực cắt tăng đột ngột. Độ cứng 50 HRC gọi là độ cứng tới hạn với tiêu chí lực cắt tối thiểu.
Vấn đề bôi trơn làm nguội tối thiểu so với cắt khô và bôi trơn làm nguội tràn đã được Varadarajan và đồng nghiệp nghiên cứu [18] khi tiện thép có độ cứng 46 HRC sử dụng dao các bít phủ TiC, TiN, TiCN. Các kết quả chỉ ra rằng bôi trơn, làm nguội tối thiểu có ưu điểm vượt trội so với tiện khô hoặc bôi trơn, làm nguội thông thường trên khía cạnh về lực cắt, độ nhám bề mặt sau gia công, hệ số co rút phoi, chiều dài tiếp xúc phoi và mặt trước và tuổi bền dụng cụ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Theo Diniz.A.E và đồng nghiệp [33], tiện cứng thường thực hiện trong môi trường khô vì nhiệt độ cao làm cho phoi biến dạng và trượt dễ hơn. Tuy nhiên nhiệt độ cao lại làm cho phôi dễ bị biến dạng, ảnh hưởng tới độ chính xác hình học, kích thước và chất lượng tích hợp bề mặt. Trong nghiên cứu của họ đã sử dụng dao PCBN tiện thép AISI 52100 tôi cứng đạt 58 ÷ 60 HRC với vận tốc cắt từ 110 ÷ 175 m/p; s = 0,08 mm/v; t = 0,3 mm trong môi trường khô, bôi trơn/làm nguội bằng tưới tràn và bôi trơn làm nguội tối thiểu. Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng trong môi trường cắt khô và tối thiểu mòn mặt sau luôn nhỏ hơn khi bôi trơn/làm nguội tưới tràn; độ nhám bề mặt hầu như không thay đổi khi cắt trong cả ba môi trường. Từ đây có thể thấy môi trường cắt khô là tốt nhất trên khía cạnh giảm mòn, độ nhám bề mặt thấp và tiết kiệm chi phí chất bôi trơn/làm nguội. Trái lại các nghiên cứu thực tế của Koefer [33] cho thấy sử dụng dung dịch làm nguội ở dạng sương mù hay áp suất cao có tác dụng làm tăng tuổi bền của dao khi tiện cứng và dầu không nên sử dụng trong tiện cứng do nhiệt độ ở vùng cắt cao (tới 1700oF).