CHƯƠNG 10 TỐI ƯU HOÁ QUÁ TRÌNG GIA CÔNG CẮT GỌT
10.2. Cơ sở kinh tế – kỹ thuật của TƯH quá trình gia công cắt gọt
Để điều khiển được quá trình gia công một cách kinh tế nhất trên cơ sở đảm bảo được độ chính xác yêu cầu cần phải xây dựng được các mô hình của các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt. Mô hình lực tạo phoi và mô hình mài mòn dụng cụ cắt là hai mô hình quan trọng nhất trong các mô hình đó. Dựa trên mô hình lực tạo phoi người ta xác định được yêu cầu về năng lượng và tính chất biến dạng của hệ thống công nghệ. Dựa trên mô hình mài mòn sẽ xác định được tuổi bền của dụng cụ, từ đó xác định được các thông số công nghệ hợp lí trong quá trình gia công.
Thông thường người ta sử dụng hai phương pháp sau đây để xây dựng các mô hình dưới dạng các biểu thức giải tích:
- Phương pháp thứ nhất: Dựa trên các tiên đề rồi dùng phương pháp diễn giải để
mô tả cơ chế tác động cơ lý của quá trình tạo phoi, từ đó rút ra các biểu thức giải tích mô tả các đại lượng xuất hiện trong và sau quá trình cắt. Khi sử dụng phương pháp này người ta phải đơn giản hoá các điều kiện biên của bài toán, ví dụ phải giả thiết rằng vật liệu luôn đồng nhất và đẳng hướng, do đó độ chính xác của mô hình đạt được thấp.
- Phương pháp thứ hai: Nghiên cứu bằng thực nghiệm dựa trên cơ sở lí thuyết qui hoạch thực nghiệm kết hợp với xử lý số liệu theo phương pháp thống kê để rút ra các mô hình. Nhược điểm của phương pháp này là mô hình không mang tính tổng quát mà
chỉ có giá trị tương ứng với các điều kiện công nghệ cụ thể nhưng lại có ưu điểm là đạt được độ chính xác cao và dễ áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Đặc biệt, do sự tiến bộ
của công nghệ đo lường và công nghệ thông tin, thời gian thí nghiệm và xử lý số liệu rút ngắn đáng kể, vì vậy phương pháp này vừa đảm bảo tính kinh tế trong quá trình nghiên cứu vừa đạt được độ chính xác cao và dễ triển khai áp dụng vào sản xuất. Do đó, hiện nay phương pháp này chẳng những được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu công nghệ cắt gọt mà còn được sử dụng rộng rãi cho việc nghiên cứu trong các lĩnh vực khác.
Mô hình lực cắt và quá trình mài mòn - tuổi bền của dụng cụ cắt được thiết lập dựa trên bản chất vật lý của quá trình cắt cũng như dựa trên các tính chất đặc trưng của từng nguyên công.
10.2.1. Mô hình lực cắt.
Lực cắt tại một điểm M trên lưỡi cắt khi tiện gồm thành phần như sau:
Hình 10.5. Lực cắt tại một điểm.
Từ sơ đồ, lực cắt đơn vị K được xác định như sau:
(10.5) Trong đó: A - Tiết diện ngang của phoi (mm2).
a - Chiều dày phoi (mm). → a = S.sinϕ ϕ - Góc nghiêng chính của dao (độ).
b - Chiều rộng phoi (mm). → b = t/sinϕ t - Chiều sâu cắt (mm).
Giá trị các hệ số k1 và số mũ k2 phụ thuộc vào các điều kiện gia công cụ thể như vật liệu gia công, vật liệu dao, kết cấu bộ phận cắt của dụng cụ cắt, chế độ bôi trơn và làm nguội khi cắt...
FZ = k1.b.a1+k2sink2ϕ Trong đó: k1 = k10. k11.... k1i
Với k1i là các hệ số xét tới ảnh hưởng của các yếu tố đặc trưng cho điều kiện gia công cụ thể tới lực cắt, các giá trị k1i phải xác định bằng thực nghiệm:
Các thành phần FX, FY được tính theo FZ: FX = CX.FZ
FY= CY.FZ F2 = FX2 + FY2 +FZ2
Trong đó: CX, CY là các hệ số mô tả mối quan hệ giữa FX, FY với FZ và được xác định bằng thực nghiệm.
10.2.2. Mô hình mài mòn.
Quá trình mòn của dụng cụ cắt diễn ra rất phức tạp. Theo Vieregge quá trình mòn của dụng cụ cắt là sự kết hợp của bốn loại mòn khác nhau (hình 10.6), đó là:
- a: Mòn do khuếch tán.
- b: Mòn do cào xước.
- c: Mòn do kim loại bị ôxi hoá ở to ≥ 8000C.
- d: Mòn do dính bám dẫn tới hiện tượng tróc lớp bề mặt.
v
độ mòn
Vùng lẹo dao
mòn tổng céng
Tiện,phay,khoan chuèt
doa a
b d c
Hình 10.6. Các hiện tượng mòn xuất hiện ở dụng cụ cắt.
Do ma sát giữa phoi và mặt trước mà mặt trước bị mòn lõm xuống. Nơi mòn mạnh nhất nằm cách lưỡi cắt một khoảng a (hình 10.7). Vết mòn lõm ở mặt trước làm cho điều kiện cắt bị thay đổi.
hB B B
a
max
Side face Front face
e
Hình 10.7. Các dạng mòn mặt trước và mặt sau của dụng cụ cắt.
u
B
Hình 10.8. Chiều cao vết mòn mặt sau của dụng cụ cắt.
Chiều cao vết mòn mặt sau B của dụng cụ cắt (hình 10.8) được dùng làm chỉ tiêu đánh giá quá trình mòn.
Lượng mòn mặt sau B của dao được xác định theo công thức:
C2
C1
B = τ (10.6)
- τ là thời gian cắt.
- C1 là hệ số:
5 4
3 C C
C 0
1 C . V . S t.
C = (10.7)
Với C0, C2, 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.
Quá trình mòn phụ thuộc chủ yếu vào thời gian cắt τ và tốc độ cắt v (hình 10.9).
Hình 10.9. Quan hệ mòn với thời gian cắt τ và tốc độ cắt v
Khi lượng mòn dao B = [B] (lượng mòn cho phép) thì τ = T (tuổi bền của dao).
Người ta cũng có thể biểu diễn tuổi bền T dưới các dạng sau:
T = A1.vA2 (10.8)
T = A3.vA2.SA4 (10.9)
T = A5.vA2.SA4.tA6 (10.10)
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 luôn luôn có:
A1, A3, A5 > 0 A2, A4, A6 < 0
6 4
2 A A
A > >
Biểu thức (11.8) cho thấy tốc độ cắt có ảnh hưởng mạnh nhất tới tuổi bền T.
Biểu thức (11.10) 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 toán người ta bỏ qua ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới tuổi bền của dao và thường lấy T theo biểu thức (10.9). Hệ số A3 được biểu diễn như sau:
A3 = A30.A31.A32…A3pp (10.11)
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.