Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào dao, phoi, phôi và môi trường với tỷ lệ khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường [1], [6]. Thực tế vận tốc cắt là nhân tố ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ lệ này, khi cắt với vận tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi (hình 1.7b) [1].
Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:
Q = Qmặt phẳng cắt + Qmặt trước + Qmặt sau (1-6) Theo định luật bảo toàn năng lượng thì lượng nhiệt này sẽ truyền vào hệ thống phoi, dao, phôi và vào môi trường theo công thức sau:
Q = Qphoi + Qdao + Qphôi +Qmôi trường (1-7) Tốc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi như không đáng kể trong tính toán khi môi trường cắt là không khí.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.8: Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường phụ thuộc vào vận tốc cắt [1]
1.3.2. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại
1.3.2.1. Nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất
Theo Trent thì phần lớn công suất sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất biến thành nhiệt [5]. Tốc độ nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thể tính gần đúng trên mặt phẳng cắt theo công thức:
dW Q1 kAB.A VS. S
dt (1-8)
Trong đó:
- kAB là ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất - AS là diện tích của mặt phẳng cắt, 1. sin S t b A
- VS là vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt os
os( - ) S C c V V c
Tuy nhiên chỉ một phần nhiệt .Q1 truyền vào phôi, phần còn lại (1-)Q1
truyền vào thể tích AS.Vn của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ T trong vùng biến dạng thứ nhất. có thể lớn đến 50% khi tốc độ thoát phoi thể tích thấp, vật liệu cắt có hệ số dẫn nhiệt cao. Khi tốc độ thoát phoi thể tích cao thì được xác định bằng đồ thị thực nghiệm của Boothroyd thông qua hệ số nhiệt
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1 . . .c T t c V t R k
như trên hình 1.9. Trong đó kt là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia
công. t 1 . ( os -F sin ) os (1 ) (1 ) . . .c.t os( - ) AB S C n k V F c c T c V bc (1-9)
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 [5].
Hình 1.9. Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác định tỷ lệ nhiệt () truyền vào phôi [5]
1.3.2.2. Nhiệt sinh trên mặt trước (QAC)
Qua các công trình nghiên cứu [5], [20], [22], [21] cho thấy rằng nhiệt sinh ra trên mặt trước của dụng cụ do ma sát giữa phoi và mặt trước và biến dạng dẻo của các lớp phoi sát mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra. Theo Jun và Smith [23] 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 [3]. Ví dụ, theo Trent thì nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 [5]. Ông đã đưa ra công thức để tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi như sau:
2 / 1 . . . . . 2 ) 0 , ( p t m s V K x c x T (1-10) 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 [24], [21].
1.3.2.3. Nhiệt sinh trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD)
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:
c cf c ave c c c ΔF F -F VB = =K F F t t tf t ave t t t ΔF F -F VB = =K F F t (1-11)
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 1.10).
Hệ số ma sát trên mặt sau được xác định bằng công thức:
c c f t t K F μ = . K F (1.12)
Với Kc và Kt là các hệ số thực nghiệm. Tốc độ sinh nhiệt q3 trên mặt sau là: q =0,0671.V .F3 c c 1
t.b (1.13)
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 [3].
1.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ
1.4.1. Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá
1.4.1.1. Độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt hay còn gọi là nhấp nhô tế vi là tập hợp tất cả những bề lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trong một phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn (l). Chiều dài chuẩn l là chiều dài dùng để đánh giá các thông số của độ nhám bề mặt (với l = 0,01 đến 25mm).
Độ nhám bề mặt gia công đã được phóng đại lên nhiều lần thể hiện trên hình 1.11.
Theo TCVN 2511 – 1995 thì nhám bề mặt được đánh giá thông qua bảy chỉ tiêu. Thông thường người ta thường sử dụng hai chỉ tiêu đó là Ra và Rz, trong đó:
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.11: Độ nhám bề mặt
- Ra: Sai lệch trung bình số học của prôfin là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của sai lệch prôfin (y) trong khoảng chiều dài chuẩn. Sai lệch prôfin (y) là khoảng cách từ các điểm trên prôfin đến đường trung bình, đo theo phương pháp tuyến với đường trung bình. Đường trung bình m là đường chia prôfin bề mặt sao cho trong phạm vi chiều dài chuẩn l tổng diện tích ở hai phía của đường chuẩn bằng nhau. Ra được xác định bằng công thức:
1 0 1 1 . l n a x x i i R y d y l l (1-14)
- Rz: Chiều cao mấp mô prôfin theo mười điểm là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao năm đỉnh cao nhất và chiều sâu của năm đáy thấp nhất của prôfin trong khoảng chiều dài chuẩn. Rz được xác định theo công thức: 5 5 1 1 5 pmi vmi i i z y y R (1-15) Ngoài ra độ nhám bề mặt còn được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn nhất Rmax. Chiều cao nhấp nhô Rmax là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của độ nhám (prôfin bề mặt trong giới hạn chiều dài chuẩn l).
Cũng theo TCVN 2511 – 1995 thì độ nhám bề mặt được chia thành 14 cấp, từ cấp 1 đến cấp 14 ứng với các giá trị Ra và Rz. Trị số nhám càng bé thì
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
bề mặt càng nhẵn và ngược lại. Độ nhám bề mặt thấp nhất (hay độ nhẵn bề mặt cao nhất) ứng với cấp 14 (tương ứng với Ra 0,01 m và Rz 0,05 m). Việc chọn chỉ tiêu Ra hay Rz là tuỳ thuộc vào chất lượng yêu cầu của bề mặt. Chỉ tiêu Ra được gọi là thông số ưu tiên và được sử dụng phổ biến nhất do nó cho phép ta đánh giá chính xác hơn và thuận lợi hơn những bề mặt có yêu cầu nhám trung bình (độ nhám từ cấp 6 đến cấp 12). Đối với những bề mặt có độ nhám quá thô (độ nhám từ cấp 1 đến cấp 5) và rất tinh (cấp 13, cấp 14) thì dùng chỉ tiêu Rz sẽ cho ta khả năng đánh giá chính xác hơn khi dùng Ra (bảng 1.3).
Bảng 1-3: Các giá trị Ra, Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp nhám bề mặt
Cấp độ nhám bề
mặt
Loại Thông số nhám (m) Chiều dài
chuẩn (mm) Ra Rz 1 - - từ 320 đến 160 8,0 2 - - < 160 – 80 3 - - < 80 – 40 4 - - < 40 – 20 2,5 5 - - < 20 – 10 6 a từ 2,5 đến 2,0 0,8 b < 2,0 – 1,6 c < 1,6 – 1,25 7 a < 1,25 – 1,00 b < 1,00 – 0,80 c < 0,80 – 0,63 8 a < 0,63 – 0,50 b < 0,50 – 0,40 c < 0,40 – 0,32 9 a < 0,32 – 0,25 0,25 b < 0,25 – 0,20 c < 0,20 – 0,16 10 a < 0,160 – 0,125 b < 0,125 – 0,100 c < 0,100 – 0,080 11 a < 0,080 – 0,063 b < 0,063 – 0,050
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
c < 0,050 – 0,040 12 a < 0,040 – 0,032 b < 0,032 – 0,025 c < 0,025 – 0,020 13 a từ 0,100 đến 0,080 0,08 b < 0,080 – 0,063 c < 0,063 – 0,050 14 a < 0,050 – 0,040 b < 0,040 – 0,032 c < 0,032 – 0,025
Trong thực tế sản xuất nhiều khi người ta đánh giá độ nhám theo các mức độ: thô (cấp 1 4), bán tinh (cấp 5 7), tinh (cấp 8 11) và siêu tinh (cấp 12 14).
Theo Bana [25], tiện cứng chính xác được cấp chính xác dung sai IT thông thường là cấp 5 - 7, với độ nhám bề mặt là Rz = 2-4 m. Trong điều kiện gia công tốt thì cấp chính xác dung sai IT có thể đạt được là cấp 3 - 5, và có thể đạt được độ nhám bề mặt Rz 1,5 m.
1.4.1.2. Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt
Để đánh giá độ nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau đây:
a) Phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich). Phương pháp này đo được bề mặt có độ nhẵn bóng cao (độ nhám thấp) thường từ cấp 10 đến cấp 14.
b) Phương pháp đo độ nhám Ra, Rz, Rmax v.v… bằng máy đo prôfin. Phương pháp này sử dụng mũi dò để đo prôfin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn tới cấp 11. Đây chính là phương pháp được tác giả sử dụng để đánh giá độ nhám bề mặt sau khi tiện cứng.
Tuy nhiên đối với các bề mặt lỗ thường phải in bằng chất dẻo bề mặt chi tiết rồi mới đo bản in trên các máy đo độ nhám bề mặt.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- So sánh bằng mắt: Trong các phân xưởng sản xuất người ta mang vật mẫu so sánh với bề mặt gia công và kết luận xem bề mặt gia công đạt cấp độ bóng nào. Tuy nhiên phương pháp này chỉ cho phép xác định được cấp độ bóng từ cấp 3 đến cấp 7 và có độ chính xác thấp, phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thực hiện.
- So sánh bằng kính hiển vi quang học.
1.4.2. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ
1.4.2.1. Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt
Bảng 1-4: Chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công cơ
Phương pháp gia công Mức độ biến cứng (%)
Chiều sâu lớp biến cứng (m)
Tiện thô 120 150 30 50
Tiện tinh 140 180 20 60
Phay bằng dao phay mặt đầu 140 160 40 100
Phay bằng dao phay trụ 120 140 40 80
Khoan và khoét 160 170 180 200
Doa 150 160 150 200
Chuốt 150 200 20 75
Phay lăn răng và xọc răng 160 200 120 200
Cà răng 120 180 80 100
Mài tròn thép chưa nhiệt
luyện 140 160 30 60
Mài tròn thép ít cacbon 160 200 30 60 Mài tròn ngoài các thép sau
nhiệt luyện 125 130 20 40
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong quá trình gia công cơ dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của lớp kim loại bề mặt bị xô lệch và gây biến dạng dẻo ở vùng trước và vùng sau lưỡi cắt. Phoi được tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng trượt. Trong vùng cắt, thể tích riêng của kim loại tăng còn mật độ kim loại giảm làm xuất hiện ứng suất. Khi đó nhiều tính chất của lớp bề mặt thay đổi như giới hạn bền, độ cứng, độ giòn được nâng cao, ngược lại tính dẻo dai lại giảm v.v… Kết quả là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao. Mức độ biến cứng và chiều sâu của lớp biến cứng phụ thuộc vào các phương pháp gia công và các thông số hình học của dao. Cụ thể là phụ thuộc vào lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và nhiệt độ trong vùng cắt. Lực cắt làm cho mức độ biến dạng dẻo tăng, kết quả là mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt tăng. Nhiệt sinh ra ở vùng cắt sẽ hạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt. Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động giữa hai yếu tố lực cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt. Khả năng tạo ra mức độ và chiều sâu biến cứng của lớp bề mặt của các phương pháp gia công khác nhau được thể hiện trong bảng 1.4.
Bề mặt bị biến cứng có thể tăng độ bền mỏi của chi tiết khoảng 20%, tăng độ chống mòn lên khoảng 2 đến 3 lần. Mức độ biến cứng và chiều sâu của nó có khả năng hạn chế gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết. Tuy nhiên bề mặt quá cứng lại làm giảm độ bền mỏi của chi tiết.
1.4.2.2. Ứng suất dư trong lớp bề mặt
Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện tượng chuyển pha trong cấu trúc kim loại. Quá trình này diễn ra phức tạp. Ứng suất dư lớp bề mặt được đặc trưng bởi trị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư. Trị số và dấu phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt và dung dịch trơn nguội.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Khi gia công trường lực xuất hiện gây biến dạng dẻo không đều trong