Hình dạng phoi đã đƣợc nghiên cứu sâu cho quá trình tiện và phay. Những nghiên cứu này còn có thể mở rộng sang cho quá trình khoan. Một trong những phƣơng pháp nghiên cứu về khoan đó chính là chia lƣỡi cắt chính thành một số phần khác nhau và coi mỗi phần đó nhƣ là một lƣỡi cắt đơn giản. Mặc dù phƣơng pháp này đã đƣa ra đƣợc những giải pháp đơn giản song nó chũng chƣa kể hết đƣợc các đặc tính riêng trong quá trình biến dạng của phoi.
a. Hình dạng phoi khi khoan
Hình dạng phoi là thông số quan trọng nhất cho “ độ mịn” của quá trình khoan. Quá trình khoan gọi là “ mịn” nếu nhƣ phoi bị bẻ một cách hợp lý. Tuy nhiên, hầu hết phoi rất khó bị bẻ khi gia công các vật liệu dẻo, thay vào đó, chúng tạo ra phoi dây.
Dựa trên nguyên lý biến dạng phoi, các phoi dây có thể đƣợc phân dạng thành dạng xoắn ốc hoặc dạng dải phoi. Khi phoi mới đƣợc phát sinh, bề mặt trong của phoi ngắn hơn bề mặt ngoài của phoi do phần trong lƣỡi cắt di chuyển chậm hơn phần phía ngoài lƣỡi cắt (theo đƣờng kính mũi khoan). Sự khác biệt theo chiều dài này trong phạm vi phoi làm cho cho phoi chuyển động vào tâm mũi khoan thay vì vuông góc với lƣỡi cắt chính. Hơn nữa, phần trung tâm rãnh xoắn làm cho phoi uốn và tạo thành dạng xoắn ốc. Tuy nhiên, khi các phoi xoắn
di chuyển trong rãnh xoắn, để duy trì dạng xoắn đó, chúng phải quay cố định quanh trục của chúng. Chuyển động quay này làm cho các phoi xoắn này khó duy trì hình dạng của chúng khi khoan các lỗ sâu hơn. Nếu nhƣ phoi không thể giữ đƣợc chuyển động quay đó, chúng sẽ phá vỡ hoặc bị ép di chuyển dọc theo rãnh xoắn mà không không quay, và tạo ra phoi dạng dải.
Khi khoan, không giống nhƣ tiện, bán kính cuộn của phoi dạng xoắn ốc đƣợc xác định trƣớc tiên bằng không gian rãnh xoắn lớn hơn mặt trƣớc gần với lƣỡi cắt chính. Các thí nghiệm khác nhau đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu các ảnh hƣởng của chúng đến đƣờng kính cuộn của phoi.
Phoi dải đƣợc tạo ra khi các phoi dạng xoắn ốc đầu tiên không thể duy trì dạng ban đầu của chúng. Các phoi dạng dải ít thay đổi tốc độ chuyển động theo lƣỡi cắt chính so với các phoi dạng xoắn. Do vậy, trong quá trình chuyển từ dạng xoắn sang dạng dải, một phần của phoi gần tâm mũi khoan (phoi phía trong) sẽ chuyển động nhanh hơn và phần phoi gần phía ngoài mũi khoan (phoi phía ngoài) sẽ chuyển động chậm hơn tốc độ ban đầu của chúng, làm cho phoi phía trong mỏng hơn và phoi phía ngoài dày hơn hình dạng ban đầu của chúng. Phoi trong mỏng và yếu thƣờng bị chia thành các dạng dích dắc không đều. Sự thay đổi của tốc độ phoi ở lƣỡi cắt chính còn tạo ra mô men uốn do ứng suất kéo tại phoi trong và ứng suất nén tại phoi ngoài. Mô men uốn này làm cho các phoi dạng dải chụm lại phía tâm mũi khoan.
Trong quá trình hình thành phoi dạng dải, phoi nên có độ bền để chống lại mô men uốn gây ra bởi ứng suất trong phạm vi giữa phoi và lực ma sát trên phoi. Do vậy, một phoi quá mỏng hoặc quá dẻo sẽ bị biến dạng lại thành một phoi không đều thay vì dạng dải. Một thí nghiệm khác cũng đã đƣợc thực hiện để nghiên cứu ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến độ mịn của quá trình khoan. Trong thực nghiệm này, độ mịn của quá trình khoan đƣợc đánh giá bằng việc đo chiều sâu lớn nhất có thể khoan mà không bị kẹt. Thông thƣờng, nên dùng lƣợng chạy dao nhỏ khi khoan lỗ sâu. Tuy nhiên, kết quả của thí nghiệm chỉ ra rằng chiều sâu khoan lớn nhất không đạt đƣợc bởi lƣợng chạy dao nhỏ nhất (15m/v), nhƣng lại đạt đƣợc ở lƣợng chạy dao trung bình (30-60 m/v). Khi lƣợng chạy
dao quá nhỏ, phoi sẽ không đủ cứng để biến thành phoi dạng dải, và trở nên bị xoắn trong rãnh xoắn mũi khoan, và rất dễ bị kẹt phoi [2].
b. Sự thay đổi hình dạng phoi khi khoan lỗ sâu
Trong quá trình khoan lỗ sâu, phoi thƣờng không đƣợc duy trì một hình dạng đồng nhất khi tăng chiều sâu khoan. Khi khoan, phoi ban đầu luôn ở dạng xoắn ốc. Khi khoan các lỗ sau hơn, các phoi xoắn ốc sẽ quay trở lại do việc duy trì sự quay của phoi trở nên khó khăn. Cuối cùng, phoi xoắn ốc bị quay trở lại cũng trở thành phoi dạng dải. Trong quá trình chuyển từ phoi xoắn ốc sang phoi dải, sẽ có một ít kiểu phoi hình dạng đứt đoạn, phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày phoi và kích thƣớc mũi khoan. Ví dụ, phoi có thể giảm hoàn toàn tốc độ xoay và tăng bƣớc xoắn của phoi xoắn ốc. Khi bƣớc xoắn này giống nhƣ bƣớc của rãnh xoắn mũi khoan, phoi sẽ trở thành phoi dạng dải.
Các phoi dạng dải hầu nhƣ đƣợc di chuyển bởi lực đẩy phát sinh bởi quá trình cắt. Lực đẩy này đƣợc xác định bởi tổng lực ma sát do phoi tiếp xúc với rãnh xoắn mũi khoan mà lực này tăng với việc tăng chiều sâu khoan. Khi lực ma sát lớn hơn độ bền của phoi, các phoi sẽ bị co thắt và bẻ gãy. Phoi dài bị bẻ gãy có thể cản trở và ngăn chặn các phoi đƣợc tạo ra tiếp theo. Do lực cản trở lớn, các phoi tiếp theo sẽ bị bẻ gãy thành các dạng ngắn, không đều nhau. Sự thay đổi hình dạng phoi này có quan hệ với sự thay đổi của mô men khoan. Nó chỉ ra rằng, sự tăng mô men xoắn đáng kể luôn đƣợc kèm theo bởi sự kết thúc của phoi dải dài và chính là sự bắt đầu của phoi dạng bị biến dạng lại và bị chia ngắn.
Hình 2.6 thể hiện hình dạng phoi khi dùng mũi khoan D3.2 mm khoan vật liệu AISI 1038 với tốc độ trục chính 3000 v/p và lƣợng chạy dao 150 mm/ p. Các phoi từ mỗi kiểu thể hiện sự thay đổi phoi từ dạng xoắn ốc sang dạng phoi dải và cuối cùng là dạng phoi từng đoạn ngắn khác nhau [2].
Hình 2.6. Các kích thước phoi khác nhau trong thí nghiệm