ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT
TỚI CƠ CHẾ MÒN DỤNG CỤ PCBN SỬ DỤNG
TIỆNTINH THÉP 9XC QUA TÔI
Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số : 11120611008
Học viên : NGUYỄN THỊ THANH VÂN
Người hướng dẫn Khoa học:
PGS.TS. PHAN QUANG THẾ
THÁI NGUYÊN - 2009
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Họ và tên học viên : NGUYỄN THỊ THANH VÂN
Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS. PHAN QUANG THẾ
Tên đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn
dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi.
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Ngày giao đề tài :
Ngày hoàn thành :
Khoa đào tạo
sau đại học
Ts Nguyễn Văn Hùng
Người hướng dẫn
khoa học
PGS.TS Phan Quang Thế
Học viên
Danh mục các ký hiệu
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Danh mục các bảng biểu
PHẦN MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Nội dung nghiên cứu 2
3. Phương pháp nghiên c ứu. 3
4. Dự định kết quả 3
CHƯƠNG I : BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUẢ TRÌNH CẮT VÀ MÒN 4
DỤNG CỤ
1.1. Bản chất vật lý 4
1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi 4
1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng 11
1.2. Lực cắt khi tiện 14
1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 14
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 18
1.2.2.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt 18
1.2.2.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt 20
1.2.2.3. Ảnh hưởng của vât liệu gia công 20
1.2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN 21
khi tiện cứng
1.2.2.5. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r 23
1.2.2.6. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt 24
1.3. Nhiệt cắt 24
1.3.1. Khái niệm chung 24
1.3.2. Trường nhiệt độ 29
1.3.3. Quá trình phát sinh nhi ệt 32
1.3.3.1. Nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất 32
1.3.3.2. Nhiệt trên mặt nước (Q
2.3. Kết quả thí nghiệm 59
2.3.1. Tương tác ma sát giữ a phoi và mặt trước 59
2.3.2. Tương tác ma sát giữa phoi và mặt sau dụng cụ 64
2.3.3. Kết luận 64
2.4. Mòn dụng cụ PCBN và nhám bề mặt 64
2.4.1. Phân tích thí nghi ệm 64
2.4.2. Kết quả thí nghiệm mòn dụng cụ PCBN 65
2.4.3. Thảo luận kết quả 69
2.4.4. Kết luận 71
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ẢNH HƯỞNG 72
CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾN CƠ CHẾ MÒN DỤNG CỤ PCBN
3.1. Nghiên cứu thực nghiệm 72
3.2. Thí nghiệm 72
3.2.1. Thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo 72
3.2.2. Trình tự thí nghiệm 73
3.3. Kết quả thí nghiệm 73
3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm 78
3.5. Phương trình hồi quy 80
3.6. Kết luận 84
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN 85
CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI
4.1. Kết luận chung 85
4.2. Phương pháp nghiên cứu tiếp theo 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
a: chiều dày lớp kim loại bị cắt
a
p
: chiều dày phoi
K
Q
AB
= Q
1
: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt
Q
AC
= Q
2
: nhiệt sinh ra trên mặt trước
Q
AD
= Q
3
: nhiệt sinh ra trên mặt sau
Q
phoi
: nhiệt truyền vào phoi
Q
dao
: nhiệt truyền vào dao
Q
môi trường
: nhiệt truyền vào môi trường
Q
phôi
: nhiệt truyền vào phôi
K
AB
: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất
, F
tf
: lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến đo khi mòn dao
VB
ave
: chiều cao trung bình của vùng mòn mặt sau
τ
s
: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau
K
c
, K
t
: các hệ số thực nghiệm
µ: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước
µ
f
: hệ số ma sát trên mặt sau
b: hệ số truyền nhiệt
θ
o
: nhiệt cắt
Cl: hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công
u: số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt
φ: góc nghiêng chính
φ
1
: góc nghiêng phụ
V
w
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm
Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN Error! Bookmark
not defined.
với γ = - 6
o
và α = 0
o
. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao (BZN6000 – 92% CBN –
High CBN) và (BZN8100 – 70% CBN – Low CBN) [13] Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.14: 28
(a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt. 28
(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại. 28
Hình 1.15 : Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường 29
phụ thuộc vào vận tốc cắt [6] 29
Hình 1.16: Trường nhiệt độ khi tiện 30
Đường nét liền: Đường đẳng nhiệt; đường nét đứt: Dòng nhiệt.Dòng nhiệt
vuông góc với đường đẳng nhiệt 30
Hình 1.17: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi - dụng cụ 31
Hình 1.18: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd Error! Bookmark
not defined.
để xác định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi [11]. Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.19: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn Error! Bookmark
not
o
C [15]. 51
Hình 2.1. Mô hình thí nghiệm………………………… 54
Hình 2.2. Máy tiện CNC - HTC 2050………………………………………55
Hình 2.3. Mảnh dao PCBN sử dụng trong nghiên cứu …………………… 56
Hình 2.4. Thân dao MTENN 2020 K16 - N……………………………… 56
Hình 2.5. Cấu trúc kim cương của thép 9XC sử dụng trong thí nghiệm……57
Hình 2.6. Hình ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN khi cắt với vận tốc cắt
180m/p chụp trên kính hiển vi điện tử……………………………………… 60
Hình 2.7. Hình ảnh phóng to vùng vật liệu gia công dính trên mặt trước của
dụng cụ khi cắt với vận tốc cắt 180m/p………………………………… 61
Hình 2.8: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN chụp trên kính 63
hiển vi điện tử 63
a. Khi cắt với vận tốc cắt 160 m/p sau khi tiện 12,36 phút 63
b. Khi cắt với vận tốc cắt 140 m/p sau khi tiện 19,72 phút 63
Hình 2.9: 66
(a): Hình ảnh mòn mặt trước của mảnh dao PCBN sau khi tiện 2,61 phút
với các vết biến dạng dẻo bề mặt. 66
(b): Hình ảnh phóng to của (a). 66
(c): Mòn mặt trước của mảnh dao PCBN sau khi tiện 12,36 phút cho thấy
bề mặt bị mòn rất ghồ ghề 66
(d): Hình ảnh cơ chế mòn mặt trước với sự bóc tách của các lớp vật liệu
dụng cụ do dính - mỏi. 66
Hình 2.10: 67
(a) Mòn mặt sau của mảnh dao PCBN sau khi tiện 7,69 phút cho thấy vật
liệu gia công dính trên vùng mòn tương đối phẳng. 67
(b) Ảnh mòn mặt sau, sau 10,09 phút gia công. 67
(c) Ảnh phóng to vật liệu gia công bám lên vùng mòn mặt sau (b) 67
(d) Góc mòn bên trái của (b). 67
Hình 2.11: 68
xuất hiện một vùng bị “phồng” ở phía dưới lưỡi cắt phụ. Tiếp tục giảm
vận tốc cắt tới 140 m/p, sau 19,72 phút, trên mặt sau chỉ tồn tại vùng
dính vật liệu gia công (Hình 3.3(c)) 77
Hình 3.6: Mặt hồi quy dạng Loga của nhám bề mặt Ra theo loga của
lượng chạy dao S và vận tốc V khi t = 0,12 mm…………………… ……….81
Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhám bề mặt R
a
và S,V.
Các vùng nhám bề mặt R
a
nhận giá trị tối ưu (t = 0,12 mm). 82
Hình 3.8: Mặt hồi quy dạng loga của tuổi bền T theo loga của lượng
chạy dao S và vận tốc V khi t = 0,12 mm. 83
Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tuổi bền dụng cụ cắt T
và S, V. Các vùng tuổi bền T nhận giá trị tối ưu (t = 0,12 mm) 83
DANH MỤC CÁC BẢNG
BIỂU
Bảng 1.1: Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt 26
Bảng 1.2: Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ 27
Bảng 1.3: Tính chất cơ - nhiệt của một số vật liệu phủ 27
Bảng 2.1: Thành phần hoá học của phôi thép 9XC (%) 57
Bảng 2.2: Vận tốc cắt và các thông số nhám 59
Bảng 3.1: Kết quả đo nhám bề mặt tương ứng với các chế độ cắt
thiết kế 74
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p
:// www .l r
c -tnu. e d
vật liệu. Cũng như mòn của các chi tiết máy, mòn của dụng cụ làm thay đổi
các thông số hình học dụng cụ và giảm tuổi bền cũng như khả năng làm việc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p
:// www .l r
c -tnu. e d
u. v
n
2
của dụng cụ. Mòn của dụng cụ còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ
chính xác của bề mặt gia công. Đối với quá trình gia công loạt lớn và tự động
hoá, độ mòn và tuổi bền của dụng cụ lại càng được quan tâm và chú ý hơn do
các ảnh hưởng của nó tới năng suất và chất lượng của sản phẩm chế tạo. Do
vậy, việc nghiên cứu quá trình mòn khi tiện cứng để nâng cao khả năng làm
việc, nâng cao chất lượng bề mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ khí.
Khi tiện thép nhiệt luyện bằng dao nitritbo xuất hiện lực cắt đơn vị lớn,
do đó ở vùng tiếp xúc nhiệt độ cắt tăng cao, gây ảnh hưởng đến tuổ i bền của
dao và chất lượng lớp bề mặt của chi tiết gia công.
Xét về mặt mài mòn của dụng cụ cắt cần quan tâm tới nhiệt độ lớn nhất
trên mặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này. Nhưng việc
xác định nhiệt độ lớn nhất này rất khó khăn. Mặt khác nhiệt độ cắt chịu ảnh
hưởng của vận tốc cắt lớn hơn so với lượng chạy dao. Khi tiện tinh, chiều sâu
cắt nhỏ, vận tốc cắt lớn, áp lực lên dao nhỏ, nhiệt độ tập trung ở vùng mũi dao
cao nên làm dao bị mềm ra và cùn nhanh.
Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn như thế nào khi tiện tinh
thép hợp kim dụng cụ 9XC qua tôi một loại vật liệu có nhiều ưu điểm được
dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thoả mãn các
4. Dự định kết quả :
Phát hiện ra một số cơ chế mòn dụng cụ PCBN mới mối quan hệ giữa
mòn, cơ chế mòn và vận tốc cắt.
Xác định được vận tốc cắt tối ưu trong dải vận tốc cắt sử dụ ng trong
nghiên cứu nhằm đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất hoặc tuổi bền cao nhất của
dụng cụ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p
:// www .l r
c -tnu. e d
u. v
n
4
CHƯƠNG
I
BẢN CHÂT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH
CẮT
VÀ MÒN DỤNG
CỤ
1.1. Bản chất vật lý.
Trong quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượng
vật lý xảy ra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng,
biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến công tiêu
hao trong quá trình cắt gọt, độ mòn của dụng cụ cắt, chất lượng của chi tiết
gia công.
1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi.
Quá trình cắt kim loại là quá trình lấy đi một lớp phoi trên bề mặt gia
vùng phoi một luôn di chuyển cùng với dao.
- Vùng ma sát th ứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của
dao.
- Vùng ma sát th ứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao.
- Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏ i phôi để hình
thành phoi.
Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ
chức hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như không xảy ra.
Quá trình bóc tách phoi di ễn ra gần như đồng thời với lực tác động.
Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị
số của công cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của dao
(tuổi thọ của dụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất nhiều
vào quá trình tạo phoi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p
:// www .l r
c -tnu. e d
u. v
n
6
Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 1.1), dao bắt đầu nén vật liệu gia
công theo mặt trước. Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công
phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng
thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày a
p
được hình thành từ lớp
kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao.
phoi:
Ở đây:
K
f
= K
bd
+ K
ms
(1 –1)
K
bd
là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi
K
ms
là mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao.
Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm
phía dưới đường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.
Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia
công và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…).
Vận tốc cắt có ảnh hưởng có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền
tạo phoi. Tăng vận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thế
được giải thích như sau :
Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với
tốc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với vận tốc lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ
đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra
theo đường OA mà chậm đi một thời gian theo đường OA’. Tương tự như
vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’
chậm hơn so với OE (hình 1.3).
Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau
Như vậy ở vận tốc cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’; A’OE’ quay đi
−
)
=
sin
cos(
−
)
(1-2)
Do đó có thể tính
theo công thức :
tg =
r.cos
1
−
r.sin
(1-3)
Nếu đặt
K
=
60
80
Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi
10
Khi V
c
tăng từ V
1
đến V
2
biến dạng của phoi giảm
Trong vùng vận tốc cắt này khi V
c
tăng µ tăng do đó ựl c ma sát
tăng, biến dạng của phoi tăng. Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng
dần làm tăng góc trước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi
thoát ra dễ dàng hơn bếin dạng của phoi giảm và đạt gia trị cực tiểu tại
B ứng với V
c
= V
2
(tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất).
Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn
hơn.
Khi V
c
tăng từ V
2
÷ V
3
2
, V
3
phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao,
phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt.
Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăng
chiều dày trung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham
gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của
chúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như ẳtnhg góc với lưỡi cắt)
làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6.
Copyright: Tài liệu đại học ©