Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn - Làm nguội tối thiểu khi phay rãnh

H Học viên: Lưu Trọng Đức Người HD Khoa học: TS. Trần Minh Đức THÁI NGUYÊN 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TƯỚI TRONG CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI TỐI THIỂU KHI PHAY RÃNH Học viên: Lưu Trọng Đức Lớp: CHK8 Chuyên ngành: Chế tạo máy Người HD khoa học: TS. Trần Minh Đức Ngày giao đề tài: 01- 11 - 2007 Ngày hoàn thành: 12 - 6 - 2008 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS. Trần Minh Đức Lưu Trọng Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SO SÁNH CÁC PHƢƠNG PHÁP TƢỚI TRONG CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI TỐI THIỂU KHI PHAY RÃNH Học viên: Lƣu Trọng Đức Lớp: CHK8 Chuyên ngành: Chế tạo máy Người HD khoa học: TS. Trần Minh Đức Ngày giao đề tài: 01- 11 - 2007 Ngày hoàn thành: 12 - 6 - 2008 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN TS. Trần Minh Đức Lƣu Trọng Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 MỤC LỤC Trang Mục lục 1 Lời cam đoan 3 Danh mục các bảng số liệu 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh chụp 5 Lời nói đầu 7 Chƣơng 1: Tổng quan về bôi trơn – làm nguội trong gia công cắt gọt 10 1.1. Quá trình cắt kim loại 10 1.2. Quá trình biến dạng của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi 11 1.3. Quá trình tạo phoi 12 1.4. Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt kim loại 15 1.5. Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt và ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn làm nguội đến quá trình cắt 18 1.5.1. Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt 18 1.5.2. Ảnh hưởng của dung dịch bôi trơn – làm nguội đến quá trình cắt kim loại 21 1.6. Tác dụng và yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội 22 1.6.1 Tác dụng của dung dịch trơn nguội 22 1.6.2. Yêu cầu đối với dung dịch trơn nguội 23 1.7. Các loại dung dịch bôi trơn làm nguội dùng trong gia công cắt gọt 23 1.8. Cách sử dụng dung dịch trơn nguội khi phay 27 1.9. Các phương pháp bôi trơn – làm nguội 30 1.9.1. Phương pháp bôi trơn – làm nguội tưới tràn 30 1.9.2. Phương pháp gia công khô 31 1.9.3. Phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu 32 Chƣơng 2: Công nghệ bôi trơn làm - nguội tối thiểu 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 2.1. Khái niệm về công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu 36 2.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống bôi trơn – làm nguôi tối thiểu 37 2.3. Phương pháp trộn dung dịch trong công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu khi gia công cắt gọt 38 2.4. Các dung dịch được sử dụng trong bôi trơn làm nguội tối thiểu 40 2.5. Các phương pháp bố trí vòi phun 42 2.6. Giới hạn vấn đề nghiên cứu 46 2.7. Mô hình nghiên cứu 46 Chƣơng 3: Nghiên cứu so sánh các phƣơng pháp tƣới trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu khi phay rãnh 48 3.1. Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm 48 3.1.1. Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm 48 3.1.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống bôi trơn – làm nguội tối thiểu 48 3.2. Hệ thống thí nghiệm 50 3.3. Điều kiện thí nghiệm 50 3.4. Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu khi phay rãnh 52 3.4.1 Quá trình tiến hành thí nghiệm 52 3.4.2 Kết quả thí nghiệm 53 3.5. Thảo luận kết quả 55 Kết luận của luận văn 57 Tài liệu tham khảo 58 Phụ lục 1 60 Phụ lục 2 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Minh Đức. Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. Người thực hiện Lƣu Trọng Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU TT Số bảng Phụ lục Nội dung Trang Ghi chú 1 1 1 Số liệu gia công sử dụng phương pháp bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu sương mù bằng dầu lạc. 60 2 2 1 Số liệu gia công sử dụng phương pháp bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu nhỏ giọt bằng dầu lạc. 61 3 2 Một số hình ảnh trong quá trình thí nghiệm. 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP TT Hình Nội dung Trang 1 1.1 Chuyển động chính và chuyển động chạy dao. 10 2 1.2 Quan hệ giữa biến dạng và lực tấc động khi kéo kim loại. 11 3 1.3 Sơ đồ quá trình hình thành phoi thép. 12 4 1.4 Sơ đồ vùng tạo phoi. 13 5 1.5 Miền tạo phoi ứng với các vận tốc cắt khác nhau. 14 6 1.6 Sơ đồ hình thành và lan toả nhiệt. 17 7 1.7 Các dạng mài mòn phần cắt dụng cụ. 19 8 1.8 Quan hệ giữa độ mòn và thời gian làm việc của dao. 21 9 1.9 Các phần tử hoà tan trong nước. 24 10 1.10 Các phần tử tích tụ khối và phần tử hoà tan trong nước. 24 11 1.11 Các phân tử hoà tan dưới dạng thể sữa. 25 12 1.12 Các phân tử hoà tan trong hợp chất hoá học. 26 13 1.13 Các phần tử hoà tan trong hợp chất dầu. 26 14 1.14 Dẫn dung dịch vào hai mặt bên dao phay. 28 15 1.15 Dẫn dung dịch vào mặt trước và mặt sau dao phay. 28 16 1.16 Dẫn dung dịch vào tất cả các lưỡi cắt. 29 17 1.17 Gia công bằng phương pháp tưới tràn trên máy phay. 31 18 1.18 Phương pháp gia công khô trên máy phay. 32 19 1.19 Gia công bằng phương bôi trơn – làm nguội tối thiểu. 33 20 2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu nhỏ giọt. 37 21 2.2 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội tưới kiểu sương mù trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu. 38 22 2.3 Phương pháp trộn dung dịch trơn nguội bên trong đầu phun. 39 23 2.4 Phương pháp trộn dung dịch trơn nguội bên ngoài đầu phun. 40 24 2.5 Dẫn dung dịch trơn nguội bằng cách phun vào mặt trước của dao. 42 25 2.6 Dẫn dung dịch trơn nguội bằng cách phun vào mặt sau của dao. 43 26 2.7 Dẫn dung dịch trơn nguội bằng cách phun vào mặt sau của dao. 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 27 2.8 Dẫn dung dịch trơn nguội bằng cách bố trí hiều đầu phun vào một vùng gia công khi phay. 45 28 2.9 Hình ảnh cách bố trí vị trí đầu phun trong bôi trơn làm nguội - tối thiểu khi phay. 45 29 2.10 Mô hình quá trình thí nghiệm. 46 30 3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu nhỏ giọt. 49 31 3.2 Hệ thống bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu nhỏ giọt. 50 32 3.3 Hệ thống điều chỉnh áp suất và hệ thống điều chỉnh lưu lượng. 51 33 3.4 Hệ thống vòi phun dạng nhỏ giọt và bình chứa dung dịch do Cộng Hòa Liên Bang Đức sản xuất. 51 34 3.5 Thước Panme điện tử đo ngoài. 52 35 3.6 Quan hệ giữa lượng mòn dao theo đường kính và thời gian cắt khi thay đổi phương pháp tưới khác nhau trong công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu khi phay rãnh. 53 36 3.7 Biểu đồ so sánh tuổi bền của dao theo lượng mòn cho phép với các phương pháp tưới khác nhau trong công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu khi phay rãnh. 54 37 3.8 Biểu đồ so sánh tuổi bền của dao khi dao phá hủy với các phương pháp tưới khác nhau trong công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu khi phay rãnh. 54 38 3.9 Biểu đồ so sánh lượng lượng tiêu hao dầu khi sử dụng các phương pháp tưới khác nhau trong công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu khi phay rãnh. 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Dung dịch trơn nguội đã được sử dụng rộng rãi trong quá trình gia công cắt gọt nhằm làm giảm nhiệt cắt, bôi trơn, di chuyển phoi ra khỏi vùng cắt và bảo vệ sự ăn mòn. Do sử dụng dung dịch trơn nguội trong gia công cắt gọt đã dẫn đến những ảnh hưởng đối với sức khoẻ người công nhân, môi trường và khía cạnh kinh tế. Người công nhân tiếp xúc với dung dịch trơn nguội có thể sinh ra bệnh viêm da và do tạo ra sương mù trong suốt quá trình gia công có thể dẫn tới những loại bệnh khác như: viêm đường hô hấp, hen, thậm chí bệnh viêm phổi,... Ngoài ra, khi thải dung dịch trơn nguội ra ngoài môi trường đã dẫn đến một sự nguy hiểm là sự nhiễm bẩn nguồn nước ngầm, dòng nước và gây ra những tác động nghiêm trọng về môi trường. Các dữ liệu nghiên cứu đã đưa ra những nhận xét chi phí liên quan đến dung dịch trơn nguội chiếm một số lượng lớn (tỉ lệ lớn) 7 % 17% tổng giá thành trong gia công sản phẩm, trong đó chi phí của dụng cụ 2 % 4 %. Đó chính là một trong những nguồn gốc chính của vấn đề liên quan đến chi phí gia công. Mặc dù trong dung dịch trơn nguội thường chứa một số hóa chất độc hại nên ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người lao động và gây ô nhiễm môi trường, nhưng phần lớn các nhà sản xuất vẫn sử dụng dung dịch trơn nguôi dưới dạng chất lỏng với một số lượng lớn, thường xuyên nhất là áp dụng phương pháp tưới tràn trong sản xuất vẫn cao. Tuy nhiên, trong một vài năm gần đây đã ứng dụng phương pháp gia công khô (không sử dụng dung dịch trơn nguội) vào trong sản xuất và đã phát huy được hiệu quả, nhưng công nghệ này đã gặp phải một số vấn đề trong quá trình gia công như: tuổi bền của dụng cụ thấp, biến dạng nhiệt lớn,... Để khắc phục được các nhược điểm của các phương pháp trên đã xuất hiện một phương pháp trung gian giữa phương pháp gia công khô và phương pháp tưới tràn đó là phương pháp bôi trơn - làm nguội tối thiểu. Phương pháp bôi trơn - làm nguội tối thiểu là một phương pháp có nhiều ưu điểm như: hiệu quả bôi trơn - làm nguội cao, kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt, lượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 tiêu hao dung dịch nhỏ và dung dịch khi phun vào vùng cắt sẽ bốc hơi hết do đó sẽ không có lượng dung dịch cần xử lý sau khi hết hạn sử dụng như bôi trơn - làm nguội tưới tràn. Phoi gia công sạch, không gian làm việc thoáng mát sạch sẽ và không bị ô nhiễm môi trường. Do có những ưu điểm trên, ở các nước công nghiệp phát triển đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và thu được nhiều kết quả khả quan. Ở Việt Nam công nghệ này gần như chưa được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Nhằm nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào thực tế sản xuất ở nước ta, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu so sánh các phƣơng pháp tƣới trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu khi phay rãnh” là cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu: - Thiết kế, xây dựng hệ thống thiết bị bôi trơn – làm nguội tối thiểu phục vụ nghiên cứu và phục vụ cho thực tiễn sản xuất ở nước ta. - Nghiên cứu, so sánh giữa phương pháp bôi trơn – làm nguội tối thiểu tưới kiểu nhỏ giọt và tưới kiếu sương mù thông qua các chỉ tiêu về mòn, tuổi bền của dụng cụ cắt và lượng tiêu hao dung dịch khi phay rãnh bằng dao phay ngón. 3. Đối tƣợng nghiên cứu: - Dùng dao phay ngón thép gió P18, phay rãnh B = 8 (mm), thép C45 tôi cải thiện. Những kết quả và phương pháp nghiên cứu đạt được có thể áp dụng trong thực tiễn sản xuất khi phay có sử dụng các loại dao khác hoặc thép khác. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu bằng thực nghiệm. 5. Ý nghĩa của đề tài: + Ý nghĩa khoa học. - Góp phần xây dựng lý thuyết cơ bản về công nghệ bôi trơn - làm nguội tối thiểu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 - Từ những kết quả và phương pháp nghiên cứu đạt được có thể áp dụng cho các phương pháp cắt gọt khác. +Ý nghĩa thực tiễn. - Từ kết quả nghiên cứu đưa ra các chỉ dẫn cụ thể về các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn làm nguội tối thiểu. 6. Nội dung của luận văn: Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính gồm 3 chương và phần kết luận chung Chƣơng 1: Tổng quan về bôi trơn – làm nguội trong gia công cắt gọt. Chƣơng 2: Công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu. Chƣơng 3: Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong công nghệ bôi trơn – làm nguội tối thiểu khi phay rãnh. Phần Kết luận chung 7. Lời cảm ơn: Luận văn này đối với Tôi là một cơ hội lớn để rèn luyện khả năng thực hiện một đề tài phục vụ thực tiễn sản xuất dựa trên cơ sở các lý thuyết khoa học và công nghệ. Luận văn này được hoàn thành là nhờ có rất nhiều sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của cá nhân và tập thể. Lời cảm ơn sâu sắc nhất Tôi xin gửi đến TS.Trần Minh Đức, người thầy luôn luôn nhiệt tình chỉ bảo và định hướng giúp tôi trong những lúc gặp khó khăn, các thầy cô trong Khoa Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ Tôi hoàn thành bài luận văn này. Thái Nguyên, ngày 12 tháng 06 năm 2008 Học viên Lƣu Trọng Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN – LÀM NGUỘI TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT 1.1. Quá trình cắt kim loại Quá trình cắt kim loại là quá trình hớt đi một lớp phoi trên bề mặt gia công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ bóng bề mặt theo yêu cầu. Các dạng gia công cơ chủ yếu là : tiện, bào, khoan, phay, mài,...Tất cả các dạng gia công này đều được thực hiện trên các máy cắt kim loại bằng các dụng cụ cắt khác nhau: dao tiện, mũi khoan, dao phay,... Để thực hiện một quá trình cắt nào đó, cần thiết phải có hai chuyển động: chuyển động chính (chuyển động làm việc) và chuyển động chạy dao. Chuyển động chính trong quá trình tiện là chuyển động quay của chi tiết (hình 1.1a). Còn khi phay, chuyển động chính là chuyển động quay của dao phay (hình 1.1b). Tốc độ của chuyển động chính là tốc độ cắt [7]. Chuyển động tịnh tiến của dao theo phương dọc hoặc phương ngang là chuyển động chạy dao khi tiện. Còn khi phay chuyển động chạy dao là chuyển động tịnh tiến của vật gia công (chi tiết) theo phương dọc, ngang, hoặc thẳng đứng. Tốc độ của chuyển động chính luôn luôn lớn hơn tốc độ chuyển động chạy dao. Trong a) b) V Hình 1.1. Chuyển động chính và chuyển động chạy dao. S Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 quá trình cắt kim loại các bề mặt mới được hình thành do các lớp bề mặt biến dạng và được hớt dần với sự tạo thành phoi. 1.2. Quá trình biến dạng của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi Trong quá trình gia công, mọi vật liệu khi cắt đều bị biến dạng. Biến dạng vật liệu gia công tác động đến toàn bộ các hiện tượng vật lý trong vùng cắt. Nó là nguồn gốc sinh ra lực cắt, nhiệt cắt, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành chất lượng của chi tiết (độ chính xác, độ nhấp nhô bề mặt và cơ lý tính trên lớp bề mặt,...) [3]. Dưới tác dụng của tải trọng, trong phần lớn kim loại và hợp kim xảy ra ba quá trình nối tiếp nhau là biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ (hình 1.2) [6]. - Ở giai đoạn biến dạng đàn hồi, độ dãn dài l tỷ lệ thuận với lực tác động P (nhánh 1 trên đồ thị). Khi bỏ qua lực P kim loại trở về hình dạng ban đầu. - Ở giai đoạn biến dạng dẻo khi bỏ lực tác dụng kim loại không trở lại hình dạng ban đầu. - Giai đoạn phá huỷ là quá trình đứt các liên kết trong nội bộ cấu trúc vật liệu. Các vết nứt xuất hiện và các phần vật liệu tách rời nhau . Vật liệu bị phá huỷ. Trong quá trình cắt kim loại, vật liệu gia công (dưới sự tác động của lực cắt) cũng bị biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo rồi bị phá huỷ. Lớp vật liệu được tách ra gọi là phoi, quá trình cắt đã được thực hiện. Quá trình biến dạng của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi khi cắt chiếm tới 90% công dùng cho cả quá trình cắt, nó cũng là nguồn phát nhiệt chủ yếu khi cắt. Chi tiết gia công chịu sự tác động của lực cắt và nhiệt cắt. Do đó mà lực cắt, nhiệt cắt có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng bề mặt gia công và độ chính xác gia công. 0 a’ a’’ L P a b c PP Pa Pb T ải t rọ n g P Hình 1.2. Quan hệ giữa biến dạng và lực tác động khi kéo kim loại . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 Vì những lý do trên mà việc nghiên cứu quá trình biến dạng ở vùng tạo phoi có một ý nghĩa quan trọng vì tìm ra bản chất của quá trình, phát hiện những yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng vật liệu khi cắt sẽ là cơ sở để tối ưu hoá quá trình cắt. Quá trình biến dạng của vật liệu trong vùng tạo phoi ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình cắt. Nó còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố song chủ yếu là lực, góc tác động, góc trước, tốc độ cắt và cơ lý tính của vật liệu gia công. Nghiên cứu bản chất quá trình biến dạng vật liệu gia công trong vùng tạo phoi cho phép tìm các phương pháp hữu hiệu để thực hiện quá trình cắt sao cho khi cắt vật liệu ít bị biến dạng. Điều này cho phép cắt với lực cắt, nhiệt cắt nhỏ và nâng cao được khả năng gia công và chất lượng bề mặt. 1.3. Quá trình tạo phoi Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 1.3a), sau đó bị biến dạng dẻo, quá trình biến dạng dẻo tăng dần cho đến khi bị lực liên kết bên trong của các phần tử kim loại chặn lại. Ở thời điểm này xảy ra sự xếp lớp của các phần tử phoi và sự trượt của chúng trong mặt phẳng trượt (hình 1.3b). Hiện tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1 6 (hình 1.3c) [5]. Hình 1.3. Sơ đồ của quá trình hình thành phoi thép c) b) a) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Quá trình cắt được xem là một quá trình biến dạng dẻo. Quá trình tạo phoi ảnh hưởng rất lớn đến độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công. Để tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại một ứng suất lớn hơn độ bền của vật liệu được gia công [3]. Dao tác dụng lên vật liệu gia công một lực P theo mặt trước. Khi dao tiến, trong vật liệu gia công phát sinh các vùng biến dạng liện tục. Ở các điểm xa lưỡi cắt, đó là các biến dạng đàn hồi. Biến dạng này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo khi đến gần lưỡi cắt. Phoi được tạo ra khi vật liệu trượt qua mặt trượt và trượt dọc qua mặt trước của dao. Khu vực vật liệu bị biến dạng dẻo ở phía trước dao được gọi là vùng tạo phoi, các mặt OA, OB, OC, OD, OE, nơi có ứng suất tiếp lớn nhất vật liệu gia công trượt theo mặt đó, gọi là mặt trượt. Gọi LOM là vùng tạo phoi, phần vật liệu nằm bên phải đường OM được gọi là phoi. Trong quá trình cắt miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao. Khi vận tốc cắt tăng sẽ có sự xê dịch của miền tạo phoi theo chiều hướng thu hẹp miền tạo phoi tạo ra miền A’OE’. Khi vận tốc cắt đủ lớn, miền tạo phoi sẽ thu hẹp đến mức chỉ còn rộng vài phần trăm mm. Do vậy người ta coi sự trượt xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động một góc . Góc là góc Hình 1.4. Sơ đồ vùng tạo phoi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 trượt, là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng dẻo trong miền tạo phoi. Về giá trị của góc , hiện nay tồn tại 3 giả thuyết: Theo Hucks = 2arctan 2 1 450 Với là hệ số ma sát, = N T F F Theo Ernst và Marchant góc có giá trị: = 2 450 Với = arctan , là góc ma sát Lee và Shaffer thì cho rằng: = 45 0 -( - ) Phoi cắt ra chịu biến dạng rất lớn và do đó bị thay đổi kích thước so với kích thước của lát cắt. Hiện tượng này gọi là sự co rút phoi. Tùy theo vật liệu gia công và chế độ cắt, mà ta thu được phoi xếp, phoi dây hay phoi vụn. Phoi xếp và phoi dây Hình 1.5. Miền tạo phoi ứng với các vận tốc cắt khác nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 được tạo ra khi gia công vật liệu dẻo (như thép, đồng thau,...), còn phoi vụn sinh ra khi cắt vật liệu giòn như gang. Như vậy, để thực hiện quá trình tạo phoi khi cắt dụng cụ cắt phải tác động vào vật liệu gia công một lực nhất định. Lực này làm biến dạng vật liệu và phoi được hình thành. 1.4. Hiện tƣợng nhiệt trong quá trình cắt kim loại Nguồn nhiệt phát sinh trong quá trình cắt là do công tiêu hao để lại như: Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo lớp bị cắt và các lớp tiếp xúc giữa bề mặt đó. Trong gia công bằng cắt gọt nhiệt được sinh ra từ 4 nguồn sau: - Trong miền tạo phoi. Nhiệt sinh ra do công ma sát giữa các phần tử của vật liệu gia công trong quá trình biến dạng. Sự chuyển đổi công của vùng biến dạng đàn hồi bậc nhất. - Trên bề mặt tiếp xúc của phoi và mặt trước của dao. Nhiệt sinh ra do sự truyền công của biến dạng đàn hồi bậc hai và ma sát ngoài. - Trên bề mặt sau tiếp xúc với mặt cắt (mặt chi tiết gia công). Nhiệt sinh ra do sự chuyển đổi công ma sát. - Nhiệt sinh ra do công đứt phoi. Theo [5], hiện tượng nhiệt trong quá trình gia công đóng vai trò rất quan trọng, bởi vì nó ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi, lẹo dao, co rút phoi, lực cắt và cấu trúc lớp bề mặt. Ngoài ra, nhiệt cắt (nhiệt độ cắt) còn ảnh hưởng rất lớn đến cường độ mòn và tuổi bề của dụng cụ. Sự toả nhiệt khi cắt là do có một công A (kGm) sinh ra trong quá trình hớt phoi. Công A được xác định theo công thức: A = A1 + A2 + A3. Trong đó: A1 – Là công sinh ra làm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo (A1 = 55%). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 A2 - Là công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước của dao (A2 = 35%). A3 – Là công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của dao (A2 = 10%). Mặt khác công A được tính theo công thức sau: A = Pz . L. Trong đó: Pz - Lực cắt tác dụng theo phương tốc độ cắt (kG). L – Quãng đường mà dụng cụ đi qua hay chiều dài cắt (m). Nếu lấy quãng đường mà dụng cụ đi qua trong một phút, ta có công trong một phút: A = Pz . V = Ps . Vs + F . VF + F1 . VF1. Trong đó: V - Tốc độ cắt (m/phút). Ps - Lực trong mặt phẳng trượt hay lực trượt (kG). Vs - Tốc độ trượt (m/phút). F - Lực ma sát ở mặt trước của dao (kG). VF = K V - Tốc độ chuyển động của phoi ở mặt trước của dao (m/phút). K - Hệ số co rút phoi. VF1 - Tốc độ chuyển động của bề mặt gia công tương đối so với mặt trước của dao (m/phút), VF1 = V. Trong thực tế, phần lớn công cắt gọt A (hơn 99,5%) sinh ra nhiệt cắt. Vì vậy, lượng nhiệt toả ra trong quá trình cắt là: 427 . 427 VPA Q z (k.Cal/phút). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 Nhiệt trong quá trình cắt lan toả từ điểm có nhiệt độ cao nhất đến điểm có nhiệt độ thấp nhất. Nhiệt toả ra trong quá trình cắt chủ yếu tập trung ở phoi và một phần dụng cụ. Nhiệt do ma sát ở mặt trước và mặt sau sẽ tập trung ở mặt trước III và mặt sau IV, ở phoi II và chi tiết gia công I (hình 1.6). Có một phần nhỏ nhiệt toả vào môi trường xung quanh. Khi biết lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt lan toả giữa phoi, chi tiết gia công và dụng cụ, có thể viết phương trình cân bằng nhiệt như sau: Q = Q1 + Q2 + Q3 = Qp + Qd + Qc + Qm. Trong đó: Q1 - Nhiệt tương ứng với công sinh ra làm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Q2 - Nhiệt tương ứng với công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước của dao. Q2 - Nhiệt tương ứng với công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của dao. Qp, Qd, Qc, Qm - Là nhiệt ở phoi, dụng cụ, ở chi tiết và ở môi trường xung quanh. Tốc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi là không đáng kể trong tính toán khi môi trường cắt là không khí. Khi ở môi trường có khả năng truyền nhiệt tốt Hình 1.6. Sơ đồ hình thành và lan toả nhiệt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 thì tốc độ truyền nhiệt là đáng kể như trong môi trường có các chất làm nguội.Biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, ma sát giữa vật liệu gia công với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở vùng gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá hủy bộ phận đến toàn bộ khả năng làm việc của lưỡi cắt. Nhiệt cắt và nhiệt độ trong dụng cụ cắt tăng khi cắt với vận tốc cắt cao và lượng chạy dao lớn. Lịch sử phát triển của vật liệu dụng cụ cắt đã tìm ra các loại vật liệu dụng cụ cắt có thể cắt được vận tốc cao, có độ cứng nóng cao và ở đây cũng cho biết mức độ suy giảm độ cứng của một số vật liệu dụng cụ theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ 6000C độ cứng của thép gió chỉ còn vào khoảng 40 HRC. Ngày nay thép gió vẫn được sử dụng rộng rãi làm dụng cụ cắt trong gia công cắt gọt vì những ưu điểm nổi bật của nó. Để dụng cụ thép gió có khả năng cắt tốt thì phải làm giảm nhiệt ở vùng tạo phoi bằng phương pháp bôi trơn – làm nguội. 1.5. Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt và ảnh hƣởng của dung dịch bôi trơn làm nguội đến quá trình cắt 1.5.1. Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt Trong quá trình cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ. Mài mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp, xảy ra theo các hiện tượng lý hoá ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công. Khi mài mòn, hình dạng và thông số hình học phần cắt dụng cụ thay đổi, gây nên các hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt (nhiệt cắt, lực cắt,...) và ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Trong quá trình cắt, áp lực trên các bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với áp lực làm việc trên các chi tiết máy (15 20 lần) và dụng cụ bị mài mòn theo nhiều dạng khác nhau [3]. Phần cắt dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mài mòn theo các dạng sau: - Mài mòn theo mặt sau (hình 1.7.a ). - Mài mòn mặt trước (hình 1.7.b). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 - Mài mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau (hình 1.7.c). - Mòn tù lưỡi cắt (hình 1.7.d). Để xác định được quan hệ thay đổi có tính quy luật của sự mài mòn, trước hết cần phải nghiên cứu cơ chế quá trình mài mòn. Dụng cụ cắt có thể bị mài mòn theo các cơ chế sau đây: + Mài mòn hạt mài (mòn do cào xƣớc): Bản chất của mài mòn hạt mài là các hạt cứng của vật liệu gia công và phoi cào xước (mài mòn) vào các bề mặt tiếp xúc của dụng cụ. Quá trình này như tác dụng của hạt nhỏ mài cắt vào các bề mặt dụng cụ trong quá trình làm việc. Khi độ cứng của bề mặt tiếp xúc với dụng cụ càng lớn thì dụng cụ bị mòn càng nhiều. Đặc biệt khi có hiện tượng lẹo dao trên mặt trước, một số phần tử nhỏ của lẹo dao gây ra vết mòn do cào xước trên mặt sau của dụng cụ. + Mòn do dính: Khi cắt nhiệt độ ở vùng cắt rất lớn làm cho liên kết giữa các phân tử trong vật liệu giảm xuống, do chịu một áp lực lớn nên một số phần tử của Hình 1.7. Các dạng mài mòn phần cắt dụng cụ. a) b) d) c) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 vật liệu làm dao sẽ bám dính vào phoi và chuyển động cùng phoi làm cho bề mặt của dao sẽ mất đi từng phần nhỏ của vật liệu dao. + Mòn do khuếch tán: Khi cắt ở nhiệt độ cao, biến dạng dẻo lớn nên xảy ra hiện tượng hoà tan lẫn nhau giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công. Kết quả là một phần vật liệu dụng cụ khuếch tán trong quá trình cắt. Phoi và vật liệu gia công cùng mang theo một phần vật liệu dụng cụ. Theo quy luật phát triển của lớp khuếch tán thì tốc độ khuếch tán tăng nhanh ở giai đoạn đầu của quá trình khuếch tán. Trong quá trình cắt thời gian tiếp xúc của phoi, mặt cắt và dao xảy ra rất nhanh (phần trăm hoặc phần nghìn giây), vì vậy những phần khác nhau của vật liệu gia công liên tục tiếp xúc với bề mặt dụng cụ, làm cho quá trình khuếch tán ở giai đoạn đầu tăng mạnh, gây ảnh hưởng lớn đến cường độ òn của dụng cụ. + Mòn do ôxi hoá: Do nhiệt ở vùng cắt lớn, vật liệu làm dao sẽ tiếp xúc với môi trường xung quanh sẽ tạo ra một lớp ôxi hoá trên bề mặt dao, lớp này mỏng và giòn, dễ bong khỏi nền để cuốn theo phoi. + Mòn do nhiệt: Thể tích vật liệu tại lưỡi cắt là rất nhỏ nên khi cắt nhiệt độ cao tập trung tại vị trí lưỡi cắt, do đó sẽ xảy ra hiện tượng quá nhiệt của vật liệu dao dẫn đến phá huỷ lưỡi cắt do nhiệt. * Quy luật mài mòn của dụng cụ cắt: Theo [5], (hình 1.8) là quan hệ phụ thuộc giữa độ mòn của dụng cụ cắt và thời gian làm việc của nó (gọi là đường cong mòn). Đường cong mòn trên hình có thể được chia ra ba phần: + Phần 1: Mòn ban đầu với khoảng thời gian không lớn, trong giai đoạn này, mòn xảy ra với cường độ rất lớn do sự mài mòn các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt dụng cụ. + Phần 2: Mòn bình thường, giai đoạn này bắt đầu từ thời điểm khi mà chiều cao nhấp nhô có giá trị nhỏ. Ở giai đoạn này, độ mòn tăng gần như tỷ lệ tuyến tính với thời gian làm việc của dụng cụ. Đây là giai đoạn có thời gian làm việc lớn nhất của dụng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 + Phần 3: Mòn khốc liệt, ở giai đoạn này dao có thể bị xước lưỡi cắt hoặc bị gãy đầu dao. Mòn ở giai đoạn này không cho phép dao làm việc tiếp tục, có nghĩa là cần mài lại hoặc thay dao mới. 1.5.2. Ảnh hƣởng của dung dịch bôi trơn - làm nguội đến quá trình cắt kim loại Sự trượt trực tiếp phoi trên mặt trước và phôi trên mặt sau của dụng cụ là các bề mặt rắn trượt trên nhau sinh ra nhiệt và mòn khốc liệt. Hiện tượng nhiệt và mòn phụ thuộc vào tính chất cơ, lý, hoá của hai bề mặt tiếp xúc. Sự hấp thụ và hình thành các lớp màng trong môi trường không khí là nguyên nhân giảm ma sát và mòn. Tuy nhiên không có gì đảm bảo cho sự tồn tại lâu dài các lớp màng này trong quá trình phoi và phôi liên tục trượt trên dao làm cho lớp màng không kịp tạo ra. Vậy chất bôi trơn – làm nguội sẽ vào vùng tiếp xúc chung giữa hai bề mặt để tạo ra các màng chất lỏng làm giảm ma sát và mòn. Lớp màng mỏng được tạo ra khi dẫn dung dịch trơn nguội trực tiếp vào vùng cắt là tác nhân tích cực làm giảm ma sát. Lớp màng tạo thành giữa hai bề mặt đối tiếp sẽ là mặt phân cách ngăn tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt rắn trượt trên nhau, nhờ vậy mà giữa hai bề mặt này hệ số ma sát giảm xuống (0,001 0,003) và loại trừ mòn [2]. Hình 1.8. Quan hệ giữa độ mòn và thời gian làm việc của dao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 Ta thấy rằng khả năng cắt của vật liệu dụng cụ cắt phụ thuộc rất lớn nhiệt độ vùng cắt, đặc biệt là vật liệu thép các bon dụng cụ và thép gió. Quá trình trao đổi nhiệt của dung dịch trơn nguội trong cắt gọt sẽ đảm bảo cho nhiệt độ vùng cắt luôn nằm tr._.