Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
THÁI NGUYÊN - 2009 Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
Học viên

: Đỗ Như Hoàng

Người hướng dẫn khoa học
: TS. Trần Minh Đức

THÁI NGUYÊN - 2009
Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
***
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
o0o THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:
ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI
THIỂU TỚI MÒN DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI
TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP 65
Γ
ĐÃ TÔI BẰNG
DAO PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT Học viên: Đỗ Như Hoàng
Lớp: CHK9
Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
Người HD khoa học: TS. Trần Minh Đức
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
HỌC VIÊN

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
6
LỜI NÓI ĐẦU
8
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT VÀ BÔI TRƠN
LÀM NGUỘI KHI PHAY
12
1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHOI
12
1.1.1 Khái niệm và phân loại phoi
12
1.1.2 Sự co rút phoi
13
1.2 LỰC CẮT GỌT
14
1.2.1 Cơ sở lý thuyết của lực cắt gọt
14
1.2.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt
16
1.3 HIỆN TƯỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT
17
1.3.1 Nhiệt cắt
17
1.3.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt
19
1.4 SỰ MÀI MÒN DAO
19
1.4.1 Biểu hiện ngoài của sự mài mòn dao
19
1.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao

32
1.6.1 Các phương pháp bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt
32
1.6.2 Bôi trơn làm nguội khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu
33
1.7 KHÁI QUÁT TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ MQL TRONG GIA
CÔNG CẮT GỌT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
34
Chương 2. ẢNH HƯỞNG CỦA MQL ĐẾN MÒN DAO VÀ ĐỘ
NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY THÉP ĐÃ TÔI BẰNG DAO
PHAY MẶT ĐẦU CÁCBÍT
37
2.1 BÔI TRƠN LÀM NGUỘI TỐI THIỂU (MQL)
37
2.1.1 Khái niệm về MQL
37
2.1.2 Các loại dung dịch bôi trơn làm nguội trong gia công cắt gọt
37
2.1.3 Cách dẫn dung dịch vào vùng cắt trong MQL
42
2.1.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ MQL đến quá trình gia
công
44
2.2 PHAY CỨNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MQL
VÀO PHAY CỨNG
47
2.3 GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
49
Chương 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MQL ĐẾN MÒN
DAO VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI PHAY PHẲNG THÉP

61
4.1 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN
61
4.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
62
TÀI LIỆU THAM KHẢO
63
PHỤ LỤC
65
Phụ lục 1. CÁC ẢNH CHỤP MÒN DAO
65
Phụ lục 2. SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM
71
R
1
: tổng hợp lực tác dụng lên mặt sau
N: lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trước
F
0
: lực ma sát của phoi lên mặt trước
N’: lực pháp tuyến tác dụng lên mặt sau
F
0
: lực ma sát của phoi lên mặt sau
P
x
: thành phần lực cắt theo phương X
P
y
: thành phần lực cắt theo phương Y
P
z
: thành phần lực cắt theo phương Z
t: chiều sâu cắt
S: lượng chạy dao
n: số vòng quay của trục chính Luận văn thạc sĩ


lượng tiến dao răng
a
0
: chiều dầy cắt trung bình
D: đường kính dao phay
P: lực vòng
[u]: lượng mòn mặt sau cho phép
R
a
: độ nhấp nhô bề mặt trung bình
MQL (Minimum Quantity Lubrication): Bôi trơn tối thiểu
DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Bảng 1: Số liệu độ nhám R
a
, R

18
Hình 1.7:
Các dạng mòn của dụng cụ cắt
20
Hình 1.8:
Mòn của dụng cụ cắt dọc theo lưỡi cắt
20
Hình 1.9:
Quy luật mòn của dụng cụ cắt
23
Hình 1.10:
Các loại dao phay
25
Hình 1.11:
Các thông số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu
27
Hình 1.12:
Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay
28
Hình 1.13:
Sơ đồ tính góc tiếp xúc
29
Hình 1.14:
Sơ đồ xác định chiều dày cắt và diện tích lớp cắt của răng
dao phay khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt
30
Hình 1.15:
Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay
30
Hình 1.16:

42
Hình 2.7:
Dẫn dung dịch trực tiếp vào vùng cắt từ mặt trước và mặt
sau dao phay
43
Hình 2.8:
Dẫn dung dịch vào tất cả các lưỡi cắt
43
Hình 3.1:
Sơ đồ nguyên lý phun MQL dạng sương mù
51
Hình 3.2:
Ảnh hệ thống thực nghiệm
52
Hình 3.3
Ảnh so sánh mòn mặt trước dao
55
Hình 3.4
Ảnh so sánh mòn mặt sau dao
57
Hình 3.5:
Quan hệ giữa độ mòn mặt sau dao và thời gian cắt t
58
Hình 3.6:
Biểu đồ so sánh tuổi bền của dao theo lượng mòn cho
phép
59
Hình 3.7:
Quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết R
a


Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
LỜI NÓI ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng
rãi trong gia công cắt gọt do dung dịch trơn nguội nâng cao được hiệu quả của
của quá trình gia công bởi chức năng bôi trơn, làm mát và làm đẩy phoi ra khỏi
vùng gia công của nó. Phương pháp này vẫn đang được các nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu với các hướng chủ yếu: nâng cao hiệu quả của bôi trơn làm
nguội, tiết kiệm dung dịch trơn nguội. Tìm các chất phụ gia nhằm nâng cao hoạt
tính của dung dịch trơn nguội. Nghiên cứu các loại dung dịch trơn nguội mới ít
độc hại, thân thiện với môi trường
Bôi trơn làm nguội kiểu tưới tràn rất khó giải quyết được vấn đề về sức
khỏe người thợ và ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, giá thành liên quan đến việc sử
dụng dung dịch trơn nguội ngày càng cao do luật môi trường ngày càng khắt khe
được áp dụng. Điều này đã đ
ặt ra việc tìm tòi các giải pháp thay thế nhằm giảm
thiểu, thậm chí là tránh sử dụng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công.
Một trong những giải pháp thay thế là gia công khô và gia công với MQL.
Gia công khô là mối quan tâm lớn và trên thực tế một số nhà nghiên cứu

công nghệ kim loại [16]. Tác giả Jim Lorincz đã nêu Các giải pháp đúng đối với
chất làm nguội trong đó có nêu những thành công của MQL trong gia công cắt
gọt và ứng dụng MQL vào thiết kế máy công cụ [17].
Ở Việt Nam, công nghệ MQL mới chỉ mới tiếp cận vài năm gần đây. Hiện
đã có một số nghiên cứu áp dụng MQL trong gia công cắt gọt đã công bố như:
tác giả Trần Minh Đức đã Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bôi trơn làm nguội
tối thiểu trong gia công cắt gọt, tác giả đã xây dựng được hệ thống MQL đáp ứng
yêu cầu nghiên cứu và rất thuận lợi cho việc chuyển giao công nghệ MQL trong
tiện cắt đứt, phay rãnh bằng dao phay ngón, phay lăn răng, khoan [3]. Tác giả
Phạm Quang Đồng đã Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ bôi
trơn - làm nguội tối thiểu đến độ mòn dao và chất lượng bề mặt khi phay rãnh
bằng dao phay ngón [4]. Tác giả Nguyễn Đức Chính đã Nghiên cứu xác định áp Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
lực và lưu lượng hợp lý để thực hiện công nghệ bôi trơn làm nguội khi khoan [5].
Tác giả Lưu Trọng Đức đã Nghiên cứu so sánh các phương pháp tưới trong
công nghệ bôi trơn - Làm nguội tối thiểu khi phay rãnh [6].
Như vậy, theo các tài liệu đã công bố về MQL trong gia công cắt gọt thì
nghiên cứu ứng dụng MQL trong phay mặt phẳng thép đã tôi bằng dao phay mặt
đầu cácbít chưa được nghiên cứu. Trong khi đó nhu cầu phay thép đã tôi ngày
càng tăng để tránh hoặc giảm bớt được nguyên công mài. Chính vì vậy tác giả đã
chọn đề tài “


14
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Kết quả của đề tài sẽ làm rõ ảnh hưởng của MQL trong phay cứng mặt
phẳng bằng dao phay mặt đầu so với gia công khô về độ nhám bề mặt chi tiết và
mòn dao. Từ đó làm giàu thêm kiến thức và kinh nghiệm về bôi trơn làm nguội
trong gia công cắt gọt.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Kết quả thực nghiệm của đề tài hoàn toàn có thể triển khai vào sản xuất
nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công chế tạo chi tiết máy và sản xuất
thân thiện với môi trường.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Với mục đích nghiên cứu ứng dụng công nghệ MQL vào phay cứng, tác
giả chọn phương pháp nghiên cứu là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu
thực nghiệm trong đó nghiên cứu thực nghiệm là cơ bản. Nghiên cứu lý thuyết
tổng quan các vấn đề liên quan đến gia công khô và gia công MQL trong phay
cứng từ đó định hướng cho nghiên cứu về mòn, cơ chế
mòn dao và độ nhám bề
mặt chi tiết khi phay cứng. Nghiên cứu thực nghiệm để xác định được bản chất
mòn, cơ chế mòn và độ nhám bề mặt chi tiết từ đó so sánh được hiệu quả gia
công MQL so với gia công khô.
Thái nguyên, ngày tháng năm 2009
Người thực hiện
Đỗ Như Hoàng Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
a
P
a)
a
b)
P
2
1
C
δ
ψ
β
B
a
c)
P
2
1
C
δ
Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
a
P
a)
a
P
C
B
a
P
C
B
a
P
C
B
c)
b)
d)

Hình 1.2. Các loại phoi
1.1.2 Sự co rút phoi
Biến dạng dẻo khi cắt kim loại được thể hiện ở chỗ chiều dày phoi a
1

Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
β1
γ
l
l
0

Hình 1.4. Sơ đồ xác định hệ số co rút phoi
Khi xét một phần tử phoi (hình 1.4), hệ số co rút phoi sẽ bằng:
1
1
1
1
0
0
sin
)cos(
sin
)90sin(
β
γβ
β
γβ

a)
N'
F'
0
R
b)
y
z
R
P
z
P
y
1
R
1
R
0
R
c)
d)

Hình 1.5. Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do Luận văn thạc sĩ


(hình 1.5c).
Phân tích lực R tác dụng lên dao ra hai thành phần:
- Thành phần lực P
z
theo phương chuyển động chính hoặc theo phương
dịch chuyển của dao và ta gọi P
z
là lực tiếp tuyến.
- Thành phần lực P
y
theo phương trùng với đường tâm dao và ta gọi P
y
là
lực hướng kính. Khi chiếu các lực lên phương của trục y và trục z ta được:
P
z
= Ncosγ + F
0
sinγ + F
0
’
P
y
= -Nsinγ + F
0
cosγ+ N’
Lực pháp tuyến N có thể xác định theo công thức gần đúng sau đây:
m
tSKN
0

20
Tương quan của các thành phần lực này trong điều kiện gia công bình
thường có thể được tính như sau [7]:
P
x
= (0,2 ÷ 0,3)P
z

P
y
= (0,3 ÷ 0,4)P
z

1.2.2. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến lực cắt
Nhiều nghiên cứu cho thấy sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm
lực cắt xuống 30%, thậm chí xuống 45% khi cắt ren bằng tarô [7].
Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì lực cắt phải càng giảm rõ rệt nếu vật
liệu gia công càng có độ dẻo cao. Điều này được giải thích như sau: trong trường
hợp này lực ma sát giữa dao và phoi tăng, do đó hiệu quả của việc sử dụng dung
dịch trơn nguội càng phải cao [7].
Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu lại khuyên không nên sử dụng dung
dịch trơn nguội khi gia công với tốc độ cắt lớn. Ví dụ khi gia công thép 10 với
tốc độ cắt cao và dùng dung dịch trơn nguội emunxi, lực cắt P
z
lớn hơn chút ít so
với trường hợp gia công không có dung dịch trơn nguội [7].
Mặc dù có lời khuyên trên, nhưng trong thực tế
sử dụng dung dịch trơn
nguội trong mọi trường hợp (kể cả gia công tốc độ cao) vẫn có ưu điểm vì khi có
dung dịch trơn nguội, dụng cụ cắt làm việc êm hơn, tuổi bền dụng cụ cao hơn,

1
: công sinh ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo;
A
2
: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước của dao;
A
3
: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của dao.
Mặt khác, công A được tính theo công thức:
A = P
z
.L
Ở đây:
P
z
: lực cắt tác dụng theo phương tốc độ cắt (kG);
L: quãng đường mà dụng cụ đi qua hay chiều dài cắt (m).
Các công thành phần trong công thức (1) có tỉ lệ như sau: A
1
= 55%, A
2
=
35%, A
3
= 10%. Nếu lấy quãng đường mà dụng cụ đi qua trong một phút, ta có
công thức trong một phút:
A = P
z
.V = P
s

V
F1
: tốc độ chuyển động của bề mặt gia công tương đối so với mặt
trước của dao (m/phút), V
F1
= V. Lun vn thc s

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

22
Thc t cho thy, phn ln cụng ct gt A (hn 99,5%) sinh ra nhit ct.
Vỡ vy, lng nhit ta ra trong quỏ trỡnh ct l [7]:
427
.
427
VP
A
Q
z
==

Nhit ct Q c tớnh bng kcal/phỳt.
Nhit trong quỏ trỡnh ct lan ta t im cú nhit cao nht n im cú
nhit thp nht. Nhit trong quỏ trỡnh ct ch yu tp trung phoi v mt

Q
1
, Q
2
, Q
3
: nhit ng vi cỏc cụng cụng thc 1;
Q
p
, Q
d
, Q
c
, Q
m
: nhit phoi, dng c, chi tit v mụi trng
xung quanh.
Kt qu nghiờn cu thc nghim cho thy khi gia cụng vi tc ct
khụng ln (30 ữ 40 m/phỳt) t l nhit nh sau: Q
p
60 ữ 70%; Q
d
3%; Q
c

30 ữ 40%; Q
m
1 ữ 2%. Khi tc ct tng, t l nhit vo phoi tng. Vớ d, khi
điểm khác nhau của vùng cắt. Ở các điểm khác nhau của bề mặt dụng cụ và phoi
có nhiệt đ
ộ khác nhau. Ngoài ra, tại mỗi điểm nhiệt độ có thể thay đổi theo thời
gian. Nhiệt độ cao nhất tồn tại ở tâm áp lực của phoi xuống dao và ở lưỡi cắt
chính [7].
1.3.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt
Dung dịch trơn nguội xâm nhập vào vùng cắt có tác dụng làm mát và tải
nhiệt ra khỏi vùng cắt, do đó làm nhiệt độ vùng cắt giảm xuống [7].
1.4 SỰ MÀI MÒN DAO
1.4.1 Biểu hiện ngoài của sự mài mòn dao
Do áp lực, nhiệt độ và tốc độ cắt, các bề mặt tiếp xúc của dao trong quá
trình sử dụng bị mài mòn. Tất cả các loại dụng cụ đều bị mài mòn: theo mặt sau
(dạng mài mòn thứ nhất) hoặc theo mặt sau và mặt trước (dạng mòn thứ hai). Cả
hai loại mòn này đều tồn tại khi gia công với mọi chế độ cắt được dùng trong sản
xuất.
Khi mòn theo dạng thứ nhất (hình 1.7a) ở
mặt sau của dao tạo thành tiết
diện mòn có bề rộng là δ. Dọc theo lưỡi cắt chính bề rộng của tiết diện mòn nhìn
chung rất nhỏ. Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24
Về nguyên tắc, bề rộng lớn nhất của tiết diện mòn tồn tại ở mặt sau của

chính và cạnh ngoài của vết lõm tồn tại khoảng cách f (gọi là đoạn nối ngang),
đoạn f này giảm dần theo chiều tăng của diện tích vết lõm. Điều
này có liên quan
đến lẹo dao, lẹo dao giữ cho mặt trước không bị phoi cọ sát nhiều. Khi gia công Luận văn thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

25
thép với tốc độ cắt lớn bằng dao hợp kim cứng không tồn tại lẹo dao cho nên
cạnh ngoài của vết lõm trùng với mặt sau của dao, do đó mặt trước của dao chỉ
tồn tại vết lõm (hình 1.7c).
Dạng mòn của dụng cụ cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công, chiều dày cắt
a và tốc độ cắt v. Khi gia công các vật liệu dẻo (thép) mòn dao xảy ra theo dạng
thứ nhất và dạng thứ hai. Khi gia công các vật liệu giòn (gang) mòn dao xảy ra
theo dạng thứ nhất nhiều hơn dạng thứ hai [7].
Chiều dày lớp cắt và tốc độ cắt có ảnh hưởng như nhau đến dạng mòn của
dụng cụ. Khi cắt với chiều dày cắt nhỏ (< 0,1 mm) và tốc độ cắt thấp, dao mòn
theo mặt sau (dạng mòn thứ nhất). Khi tăng chiều dày cắt và tốc độ cắt ngoài mặt
sau ra, mặt trước của dao cũng bị mòn (dạng mòn thứ hai). Hơn nữa, chiều dày
cắt a v
à tốc độ cắt v càng tăng thì mặt trước càng mòn nhanh hơn mặt sau [7].
Góc trước γ và dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng không đáng kể đến
dạng mòn của dao [7].
1.4.2 Bản chất vật lý của sự mài mòn dao