Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 1 -
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN-LÀM NGUỘI TỐI THIỂU
ĐẾN MÒN VÀ TUỔI BỀN DAO PHAY KHI PHAY
LĂN RĂNG ĐĨA XÍCH

ĐẶNG VĂN THANH


CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2011
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Trần Minh Đức
HỌC VIÊN



Tác giả

ĐẶNG VĂN THANH

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 4 -
LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn TS. Trần Minh Đức, Trưởng phòng
Đào tạo - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, thầy hướng khoa học của tôi
về tình cảm, sự tận tình dành cho tôi trong nghiên cứu, những đóng góp quý
báu của Thầy trong nghiên cứu và viết luận văn đã giúp tôi hoàn thành luận
văn này.
Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ vô tư của TS.

3. Mục đích của nghiên cứu 2
4. Đối tượng nghiên cứu 2
5. Phương pháp nghiên cứu………………………………………………….2
6. Nội dung của luận văn 2
Chƣơng 1.
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG RĂNG VÀ BÔI TRƠN LÀM NGUỘI
TRONG GIA CÔNG RĂNG
1.1 Quá trình tạo phoi trong cắt kim loại 3
1.2 Sự hình thành biên dạng răng trong gia công răng sử dụng dao phay lăn
trục vít. 4
1.3 Sự hình thành phoi trong gia công răng bằng dao phay lăn trục vít 5
1.4 Lực cắt trong quá trình phay lăn răng 7
1.5 Nhiệt cắt 9
1.5.1 Nhiệt sinh trong vùng biến dạng thứ nhất (Q
AB
) 10
1.5.2 Nhiệt sinh trên mặt trước (Q
AC
) 10
1.5.3 Nhiệt sinh ra trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (Q
AD
)
1.6 Mòn dụng cụ cắt 12
1.6.1 Khái niệm 12
1.6.2 Mòn dụng cụ và cách xác định 13
1.6.3 Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt 15
1.6.4 Mòn dụng cụ phủ 18
1.6.5 Mòn và tuổi bền dao phay lăn răng 19
1.6.5.1 Mòn dao phay lăn răng 19
1.6.5.2 Tuổi bền của dụng cụ cắt 21

3.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm 38
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm 38
3.1.2 Hệ thống thí nghiệm 38
3.1.2.1 Sơ đồ nguyên lý 38
3.1.2.2 Hệ thống thí nghiệm 39
3.2 Thí nghiệm so sánh 42
3.2.1 Chế độ công nghệ. 42
3.2.2 Tiến trình thí nghiệm. 42
3.2.3 Kết quả và thảo luận 42
3.2.4 Kết luận 49
3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất dòng khí nén đến mòn dao và tuổi bền dao
phay lăn răng. 50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 7 -
3.3.1 Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu 50
3.3.2 Xây dựng kế hoạch thí nghiệm 51
3.3.2.1 Thí nghiệm dạng 2
k

51
3.3.2.2 Thiết kế thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay (CCD) 53
3.3.2.3 Bài toán tối ưu không có điều kiện ràng buộc 55
3.3.2.4 Quá trình thí nghiệm 57
3.3.2.5 Kết quả và thảo luận 60

KẾT LUẬN CHUNG
1. Kết luận chung 64
2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo 64
3. Áp dụng vào thực tiễn sản xuất 65


: diện tích tiếp xúc thực của hai bề mặt.
B: là hằng số đặc trưng cho tính chất tiếp xúc của vật liệu.
W: tải trọng pháp tuyến.
F: lực ma sát giữa hai bề mặt
P
c
: thành phần cày của các nhấp nhô cứng lên bề mặt mềm hơn.

o
: ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu mềm hơn ở chỗ tiếp xúc.

o
: giới hạn bền của vật liệu mềm hơn.
: hằng số
k: hằng số

f
: ứng suất tiếp giới hạn của lớp màng mỏng trên bề mặt tiếp.
c: hằng số < 1.

(x)
: ứng suất pháp trên mặt trước của dụng cụ cắt

(x)
: ứng suất tiếp trên mặt trước của dụng cụ cắt
: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước.
l: chiều dài tiếp xúc của phần dính trên mặt trước.
l
1
: chiều dài tiếp xúc của phần dính trên mặt trước.

: ứng suất chính trong các lớp tiếp xúc theo phương song song với lưỡi cắt

s
: ứng suất tiếp giới hạn của các lớp phoi tiếp xúc trên mặt trước
V
(x)
: vận tốc của lớp phoi dưới cùng trên mặt trước
V
p
: vận tốc của khối phoi
: là góc ma sát trung bình trên mặt trước
b: chiều rộng cắt
k
AB
: ứng suất tiếp giới hạn trên mặt phẳng trượt

AB
: ứng suất pháp tuyến trên mặt phẳng trượt
F
c
: lực cắt theo phương vận tốc cắt
F
t
: lực cắt theo phương vuông góc với vận tốc cắt
F
s
: lực tác dụng trên mặt phẳng trượt
A
s
: diện tích của vùng mặt phẳng trượt

: chiều dài của mặt phẳng trượt.

1
và n: hằng số
Q: tổng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt
Q
AB
=Q
1
: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 10 -
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
phôi
: nhiệt truyền vào phôi
Q
dao

F
c
, F
t
là áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên vùng mòn mặt sau
F
cf
, F
tf
: lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến đo khi dao mòn
VB
ave
: chiều cao trung bình vùng mòn mặt sau

f
: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau
K
c
, K
t
: các hệ số thực nghiệm
q
3
: tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt sau
b: hệ số truyền nhiệt
k: hế số dẫn nhiệt
Q: lượng mòn trên một đơn vị chiều dài trượt
k: hệ số xác xuất của một tiếp xúc tạo ra một hạt mài.
k
m

t
: là hằng số (vận tốc cắt mà tuổi bền là 1 phút)
S: lượng chạy dao
KE, KB, KT: các kích thước vùng mòn mặt trước.
Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL-Minimum Quantity Lubrication)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 12 -
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Thành phần hóa học vật liệu gia công 39
Bảng 2. Các mức thí nghiệm và bảng mã hóa các biến số độc lập 59

- 13 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1. Mô hình vùng biến dạng và ma sát trong quá trình tạo phoi .3
Hình 2. Vùng tiếp xúc ma sát giữa dao và chi tiết gia công .4
Hình 3. Sơ đồ cắt răng bằng dao phay lăn răng trục vít .5
Hình 4: Quá trình hình phoi trong phay lăn răng .6
Hình 5. Quá trình thoát phoi tại các vị trí vào cắt, trung tâm, ra cắt trên dao
phay lăn răng 6
Hình 6. Hệ quy chiếu của dụng cụ khi phay lăn răng 8
Hình 7. Hệ lực khi phay lăn răng trong hệ tọa độ T-R 8
Hình 8. Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại 9
Hình 9: Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và sau theo tiêu chuẩn
ISO 3685 [42]. 14
Hình 10. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn [64]. 15
Hình 11. Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ thép gió phủ
TiN 18
Hình 12. Mòn mặt trước và mặt sau dao phay lăng răng 19
Hình 13. Giá trị trung bình độ mòn dao phay lăn răng [78] 26
Hình 14. Phun vào mặt trước của dao 31
Hình 15. Phun vào mặt sau của dao 31
Hình 16. Phun nhiều vòi vào cả mặt trước và mặt sau của dao 32
Hình 17. Phun nhiều vòi vào mặt sau và dọc theo rãnh thoát phoi 32
Hình 18. Phay lăn răng đĩa xích với MQL 35
Hình 19. Mô hình quá trình thực nghiệm 37
Hình 20. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống bôi trơn-làm nguội tối thiểu. 39
Hình 21. Dao phay lăn đĩa xích T12,7; d7,77 vật liệu thép gió P6M5 phủ
CVD-TiN 40
Hình 22. Dầu thực vật Simly 41
Hình 23. Máy nén khí 41

với P, S (V=21.07 tối ưu) 62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 15 -
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bôi trơn-làm nguội tưới tràn đã được sử dụng từ rất lâu trong ngành cơ
khí chế tạo máy. Và đây được cho là một trong những biện pháp phổ biến
nâng cao tuổi bền dụng cụ, giảm độ nhám bề mặt và tăng độ chính xác kích
thước sản phẩm. Bên cạnh đó dung dịch trơn nguội thúc đẩy vết nứt làm tăng
khả năng tách đứt phoi và phoi được vận chuyển ra khỏi vùng gia công dễ
dàng. Tuy nhiên, cho đến nay phương pháp này đã bộc lộ những nhược điểm
là việc sử dụng dung dịch trơn nguội có tác động xấu sức khỏe của công nhân,
gây ô nhiễm môi trường, không tiết kiệm được dầu bôi trơn, tăng thời gian
làm sạch chi tiết, dụng cụ cắt và máy móc dẫn đến tăng giá thành sản phẩm.
Để giảm bớt các tác động về kinh tế và môi trường, bôi trơn làm nguội
tối thiểu (MQL) đã được biết đến như là một biện pháp thay thế phương pháp
tươi tràn đã được ứng dụng hàng thập kỷ trước đây [2,5].
Bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) được đề cập đến việc sử dụng dung

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu thực nghiệm từ đó rút ra các mô hình lý thuyết;
- Tổng hợp và phân tích số liệu thực tế;
- Xử lý các số liệu thực nghiệm có sự trợ giúp của máy tính;
- Rút ra những quy luật từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nếu
có thể.
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 gia công răng và bôi trơn làm nguội trong phay lăn
răng
Chương này tổng hợp từ các nghiên cứu đã có trước về sự cần thiết của
bôi trơn-làm nguội trong cắt gọt và hướng tiếp cận không sử dụng dung dịch
trơn nguội hoặc sử dụng với một lượng nhỏ dung dịch trong các quá trình gia
công.
Chƣơng 2. Bôi trơn-làm nguội tối thiểu trong phay lăn răng đĩa xích
Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ bôi trơn-làm nguội tối thiểu để từ đó
áp dụng trong thực tế phay lăn răng đĩa xích bước T12,7.
Chƣơng 3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số
công nghệ bôi trơn-làm nguội tối thiểu đến mòn và tuổi bền dao phay lăn răng
đĩa xích.
Nghiên cứu so sánh giữa bôi trơn làm nguội tối thiểu và gia công tưới
tràn khi phay lăn răng qua các chỉ tiêu về lượng mòn dao, cơ chế mòn, để từ
đó tìm được các ưu điểm nổi trội của phương pháp bôi trơn tối thiểu.
Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật của Việt Nam áp dụng vào quá trình
phay lăn răng khi sử dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu.
Nghiên cứu tìm ra áp suất dòng khí nén phù hợp trong bôi trơn-làm
nguội tối thiểu khi phay lăn răng đĩa xích.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 17 -

Theo [1] ma sát trên các bề mặt dụng cụ có bề mặt tiếp xúc giống như
trên (hình 2), trong đó trượt tương đối kết hợp với biến dạng trong lòng vật
liệu gần bề mặt tiếp xúc chung của vật liệu có sức bền kém hơn. Ở đây tác giả
đã chứng minh được mối quan hệ giữa bề mặt tiếp xúc lý thuyết A và bề mặt
thực Ar như sau: Hình 1. Mô hình vùng biến dạng và ma sát trong quá trình tạo phoi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 18 -

BW
e
A
Ar

1
(1-1)
Trong đó:
B - là hằng số cho mỗi cặp vật liệu.
W - là tải trọng pháp tuyến.
Đặc tính tiếp xúc của cặp ma sát dao với phoi
và dao với phôi là cặp ma sát của hai bề mặt luôn
mới. Biết rằng trong gia công cắt gọt thì phoi và bề
mặt gia công liên tục được tạo ra và chúng trượt trên
mặt trước và mặt sau của dao. Do vậy dạng mặt tiếp xúc trong vùng tạo phoi
luôn ổn định.
1.2 Sự hình thành biên dạng răng trong gia công răng sử dụng dao phay
lăn trục vít.
Quá trình cắt răng là quá trình cắt bỏ lớp kim loại ở rãnh hai răng để tạo

đựoc hình thành bằng quá trình cắt liên tục trên phôi ở các vị trí tạo hình riêng
biệt (GP). Xem xét chuyển động quay tròn của dụng cụ trong suốt quá trình
cắt một rãnh răng, một vài vị trí xoay quanh đã đựoc giới thiệu để mô tả các
mặt cắt ngang của phoi, như đă đựợc giải thích một cách cụ thể. Các thông số
chính ảnh hưởng đến mòn dao là hình thành phoi và thóat phoi. Ở phần bên
trái của hình 1, các hình ảnh phoi và phôi được tạo ra tại các vị trí tạo hình
xác định như hình minh họa. Các hình học của phoi không biến dạng được
tính toán tại các vị trí tạo hình và chuyển động quay tròn khác nhau trong suốt
quá trình tạo hình rãnh răng, bằng các chương trình máy tính được giới thiệu
trong (1). Nguyên lý của chương trình này là dựa vào mô tả tóan học của quá
trình đâm của dụng cụ vào các rãnh răng. Các mặt cắt phoi không biến dạng
trên phần phát triển của lưỡi cắt là được thể hiện tại các vị trí quay tròn liên
tục của dụng cụ cắt tại mỗi vị trí tạo hình như minh họa trên phần bên phải
của hình 3.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 20 - Hình 4: Quá trình hình phoi trong phay lăn răng (Chip formation mechanism in gear bobbing)
Vị trí răng dao (Revolving positions)
Lưỡi cắt (cutting edge)
Vị trí bao hình (Generating position)
Mặt ngoài phoi (Chip external face)
Mặt tiếp xúc của phoi (Chip contact face)
Tiến trình vào cắt của lưỡi cắt (Development of the cutting edge)
Hướng cắt (Cutting direction)
Mặt cắt ngang của phoi (chip cross section)
Cũng theo nghiên cứu này, cho thấy quá trình hình thành phoi ở các vị
trí trung tâm và chuẩn bị ra khỏi vùng ăn khớp là phoi bị chằn ép lớn nhất,

Z
MW 2


(1-2)
Trong đó:
W- công gây ra bởi sự quay của dao phay lăn răng
M- mô men xoắn
Z- số răng của bánh răng
i- số đầu mối của dao phay lăn
Z/I- số vòng quay đầu cắt phay lăn trên số vòng quay của dao phay lăn
Trong chu kỳ này, khi dao phay lăn quay một lần thì thể tích vật liệu
được cắt biểu diễn theo công thức:
0
5,0 SZmhV


(1-3)
Trong đó:
h- chiều cao răng (h=2,157m)
S
0
- lượng ăn dao/vòng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 22 -
Z- Số răng của bánh răng
m- modul của dao phay lăn
.

.8,1
Sm
Ui
M
iSm
M
U 
(M- là mô men xoắn tác động trên trục dao
phay lăn răng)
Tính lực P
z
:
h
Z
D
M
P
.2

, trong đó D
h
nhận được từ công thức
D
h
=43m
0.48

vì vậy:

được kiểm tra bằng thực nghiệm.
Các lực trong hệ thống quy chiếu của dụng cụ có quan hệ tới các lực
trong hệ tọa độ quy chiếu của máy bằng chuyển vị ma trận dẫn xuất trên hình
6. và hình 7.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 23 -




















yh
zh
R
S



yw
xw
R
Z
P
P
P
P
.
)cos()sin(
)sin()cos(


(1-7)
Trong đó:  là góc nâng của đường ren và
26.0
.217,0 m

theo Deb và
Bhattacharya. Như vậy sử dụng (1-7) thì lực khi phay lăn răng trong hệ tọa độ
T-R mô tả giá trị lực trung bình và mô men xoắn trên trục dao phay.
Công thức tổng quát để tính lực cắt trung bình khi phay lăn:

p
p
y
x
pZtb

+ Q
mặt sau
(3-1)
Theo định luật bảo toàn năng lượng thì nhiệt lượng này sẽ truyền vào
hệ thống phoi, phôi, dao và môi trường theo công thức sau:
Q = Q
phoi
+ Q
phôi
+ Q
dao
+ Q
mt
(3-2)

Vc
CTGC
Phoi
Dao
A
B
D
C
QAB
QAC
QADHình 8. Ba nguồn nhiệt và sơ đồ
truyền nhiệt trong cắt kim loại

cos




cs
VV
(3-5)
As là diện tích của mặt phẳng cắt
Vs là vận tốc của vật liệu trên mặt phẳng cắt
Chỉ một phần nhiệt .Q
1
truyền vào phôi, phần còn lại (1-).Q
1
truyền
vào thể tích S
p
.V
n
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  giảm đến 10%-
15%.  được xác định bằng đồ thị thực nghiệm của Boothroyd thông qua hệ
số nhiệt:

t
c
T
k
tVc

n
sAB
(3-7)
Theo Trent [1] 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 cắt.
1.5.2 Nhiệt sinh trên mặt trƣớc (Q
AC
)
Từ các công trình của Trent [1], Zorev [46], Doyle [24], Wright [44],
Loladze [37], Tay [43] có thể 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 với
mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra. Theo Jun và Smith tuy nhiệt sinh
ra trên mặt trước chỉ khoảng 20% tổng số nhiệt sinh ra trong quá trình cắt,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 25 -
nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyền vào dụng cụ. Lượng nhiệt này
đóng một vai trò rất quan trọng đối với tuổi bền của dụng cụ.
Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước và quy luật
chuyển động của lớp phoi dưới cùng còn nhiều tranh cãi nên chưa có một
công thức duy nhất để tính tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước. Ví dụ theo Trent
[1] nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà
biến dạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao của các lớp phoi gần mặt trước là
nguồn nhiệt chính tạo nên nhiệt độ cao trong dao. Ông đã đưa ra công thức để
tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi như sau:

2
1
)0,(

.2

mặt sau đủ lớn. Do mòn mặt sau được coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp
xúc coi như phân bố đều. Gọi F
c
và F
t
là lực pháp và tiếp tuyến trên vùng
mòn mặt sau, VB
ave
là chiều cao trung bình vùng mòn mặt sau (hình vẽ).
Công trình của Haris đã xác định được quan hệ của F
c
và F
t
và được đề
cập trong công rình của Li [36].

t
VB
K
F
FF
F
F
ave
c
c
ccf
c
c


F
K
K
.

(3-11)