ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-------------- o0o -------------
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ẢNH HƯỞNG CỦA BÔI TRƠN TỐI THIỂU (MQL)
ĐẾN MÒN DỤNG CỤ CẮT VÀ NHÁM BỀ MẶT KHI
TIỆN TINH THÉP 9CrSi (9XC) ĐÃ QUA TÔI
HOÀNG XUÂN TỨ
THÁI NGUYÊN, 2009
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-------------- o0o -------------
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
TT Tên hình Nội dung
1 Hình 1.1 Các loại phoi
2 Hình 1.2 Quá trình hình thành phoi khi tiện thường
3 Hình 1.3 Sơ đồ quá trình hình thành phoi thép
4 Hình 1.4 Quá trình hình thành phoi khi tiện cứng
5 Hình 1.5 Sơ đồ nguồn gốc lực cắt
6 Hình 1.6 Nguồn gốc và sự phân bố nhiệt cắt
7 Hình 1.7
Quan hệ giữa
θ
và v
8 Hình 1.8 Quan hệ giữa chiều dày cắt và nhiệt cắt
9 Hình 1.9 Quan hệ giữa nhiệt cắt với b
10 Hình 1.10 Các dạng mài mòn của dụng cụ cắt
11 Hình 1.11 Mài mòn mặt sau
12 Hình 1.12 Mài mòn Crater
13 Hình 1.13 Các dạng mài mòn chính khi tiện
14 Hình 1.14 Dẫn dung dịch lên chi tiết gia công
15 Hình 1.15 Dẫn dung dịch lên mặt trước dao
16 Hình 1.16 Dẫn dung dịch vào mặt sau của dao
17 Hình 1.17 Dẫn dung dịch kết hợp mặt trước và mặt sau của dao
18 Hình 2.1 Phun theo phương tiếp tuyến với mặt trước của dao
- 5 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong quá trình gia công, mòn dụng cụ cắt là nguyên nhân dẫn đến dụng
cụ cắt bị phá huỷ. Các nghiên cứu ngày nay đã phát triển công nghệ gia công
theo xu hướng nâng cao vận tốc cắt và tốc độ chạy dao. Việc tăng tốc độ cắt và
tốc độ chạy dao đồng nghĩa với nhiệt cắt sinh ra là rất lớn, điều này không chỉ
làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt mà chất lượng của sản phẩm cũng bị giảm đi.
Người ta sử dụng dung dịch trơn nguội nhằm giải quyết vấn đề này. Bởi vì dung
dịch trơn nguội có khả năng làm giảm ma sát trong vùng cắt, tải nhiệt ra khỏi
vùng cắt, hạn chế tác dụng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt. Đảm bảo nhiệt
độ làm việc của môi trường thấp và ổn định. Giúp vận chuyển phoi ra khỏi vùng
cắt dễ dàng. Tuy nhiên, sử dụng dung dịch trơn nguội trong quá trình gia công
hiện nay cho thấy nhược điểm của nó là gây ô nhiễm môi trường và độc hại đối
với lao động. Do vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu
(Minimum Quantity Lubricant - MQL) cho quá trình gia công là cần thiết và cần
được phát triển.
môi trường, kinh tế và ý nghĩa khoa học mà phương pháp này mang lại em thấy
cần thiết khi chọn đề tài nghiên cứu: "Ảnh hưởng của bôi trơn tối thiểu (MQL)
đến mòn dụng cụ cắt và nhám bề mặt khi tiện tinh thép 9CrSi (9XC) qua tôi".
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm nhằm: Nghiên cứu so sánh giữa
phương pháp bôi trơn làm nguội tối thiểu sử dụng dầu thực vật của Việt Nam
với phương pháp gia công khô. Qua đó đánh giá được những ưu nhược điểm của
bôi trơn tối thiểu và gia công khô khi tiện cứng.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Nghiên cứu công nghệ bôi trơn tối thiểu khi áp dụng cho quá trình tiện
cứng. Ở đây chỉ nghiên cứu tiện cứng thép 9XC đã qua tôi đạt độ cứng 55 - 60
HRC, sử dụng dao gắn mảnh CBN.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nguyên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm, trong đó
nghiên cứu thực nghiệm là chủ yếu.
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
a.Ý nghĩa khoa học.
Nghiên cứu ứng dụng thành công công nghệ bôi trơn tối thiểu vào quá
trình tiện sẽ đóng góp thêm các kiến thức về công nghệ gia công cắt gọt. Cung
cấp thêm các kiến thức về cơ chế mòn của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt khi
tiện cứng.
b.Ý nghĩa thực tiễn.
- 7 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
Kết luận chung.
7. Kết quả của đề tài
- 8 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Đã tìm hiểu được một số lý thuyết cơ bản về bôi trơn làm nguội trong cắt
gọt, đặc biệt là bôi trơn tối thiểu trong quá trình tiện cứng.
- Sử dụng thành công dầu thực vật sẵn có ở Việt Nam vào tiện cứng khi sử
dụng phương pháp bôi trơn tối thiểu.
- Kết quả nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của phương
pháp tiện tinh cứng sử dụng công nghệ bôi trơn tối thiểu so với tiện khô.
8. Lời cảm ơn
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:
- TS. Trần Minh Đức, thầy giáo đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn
thành luận văn này.
- Phòng Thí nghiệm Kỹ thuật cơ khí và Động lực - Trung tâm thí nghiệm -
Trường ĐHKT Công nghiệp; Phòng Thí nghiệm Vật lý - Khoa Vật lý - Trường
Đại học Sư phạm Thái Nguyên và các bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ học viên
hoàn thành luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 28 tháng 04 năm 2009
Học viên
chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước nhỏ.
Khi gia công các vật liệu giòn (gang) với chiều sâu cắt và góc trước lớn
thì phoi vụn (hình 1.2d) có hình dạng không giống nhau được hình thành.
- 10 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.1. Các loại phoi
1.1.2. Quá trình hình thành phoi khi tiện thƣờng.
Qua nghiên cứu quá trình tiện nói chung thì thực tế phoi được phoi được
tánh ra khỏi chi tiết khi cắt không theo phương của vận tốc cắt
v
(tức là phương
lực tác dụng). Phoi khi cắt ra bị uốn cong về phía mặt tự do; kích thước của phoi
bị thay đổi so với lớp cắt khi còn trên chi tiết (hình 3.1).
a
F
V V
L
F
L
Hình 1.2: Quá trình hình thành phoi khi tiện thường
- 11 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn a
P
a)
a
b)
P
2
1
C
v
1
c
Hình 1.4. Quá trình hình thành phoi khi tiện cứng
- 12 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2. LỰC CẮT KHI TIỆN
Trong quá trình cắt kim loại, để tách được phoi và thắng được ma sát cần
phải có lực. Lực sinh ra trong quá trình cắt là động lực cần thiết nhằm thực hiện
quá trình biến dạng và ma sát.
Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình cắt kim loại có ý nghĩa cả lý
thuyết lẫn thực tiễn. Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng để
thiết kế dụng cụ cắt, đồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị,... Dưới tác dụng
của lực và nhiệt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ. Muồn hiểu được quy luật mài
mòn và phá huỷ dao thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt. Muốn tính
công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt. Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt
tạo khả năng chính xác hoá lý thuyết quá trình cắt. Trong trạng thái cân bằng
năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng cân bằng.
Lực cắt sinh ra khi cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trên đây hệ lực được xét là hệ lực phẳng, nhưng nói chung trong cắt gọt
thực tế thì lực cắt là một hệ lực không gian. Để tiện cho việc nghiên cứu, tính
toán, đo đạc và kiểm tra, ta có thể nghiên cứu lực cắt thông qua các thành phần
của chúng.
1.2.1. Các yếu tố ảnh hƣớng đến lực cắt khi tiện.
* Ảnh hưởng của chi tiết gia công đến lực cắt.
Bản chất biến dạng và ma sát của quá trình cắt kim loại cho ta thấy rằng:
chi tiết gia công có ảnh hưởng lớn đến quá trính cắt, đặc biệt đến lực cắt.
Thực nghiệm ghi nhận chi tiết gia công ảnh hưởng đến lực cắt bởi các yếu
tố sau:
* Độ bền, độ cứng của vật liệu,
Dao
Phoi
Chi
tiết
Trên hình 1.5. trong trường hợp
cắt tự do, ta có:
bd1 dh1 d1
bd2 dh2 d2
bd bd1 bd2
ms ms1 ms2
P = P + P
P = P + P
P = P + P
F = F + F
(4.1)
bd ms
P = P +FHình 1.5- Sơ đồ nguồn gốc của lực cắt
- 14 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Sử dụng nguyên lý cọng tác dụng, khi nghiên cứu ảnh hưởng của một thông số
nào đó, trong thí nghiệm ta cho tất cả các yếu tố khác không thay đổi và chỉ cho
- 15 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn yếu tố đang xét thay đổi, sau đó tổng hợp lại ta nhận được ảnh hưởng đồng thời
của các yếu tố xét đến lực cắt.
+ Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt.
Vì chiều rộng cắt b = t/sin có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ
khảo sát ảnh hưởng của b đến lực cắt Pv.
Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi, cho b thay đổi
các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng như trên đồ thị.
Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng b thì lực cắt cũng tăng. Nếu như cắt
với chiều dày cắt atb = 1mm thì lực cắt chính Pv được tính bằng: Kết quả xử lý số liệu đo
được như đồ thị ta nận
được: 1
v
p
x
- 16 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn tăng chiều dài làm việc thực tế của lưỡi cắt một cách tuyến tính như khi tăng
chiều rộng cắt b.
độ phổ biến ở phạm vi tốc độ cao như ngày nay đang sử dụng thì nhận thấy rằng
khi tăng tốc độ cắt v , lực cắt hầu như không thay đổi hoặc thay đổi không đáng
kể. Do vậy để đơn gian trong công thức tính lực cắt ta thường bỏ qua yếu tố v.
+ Ảnh hưởng của dụng cụ cắt đến lực cắt.
Thực tế cho thấy vật liệu chế tạo dao và thông số hình học của dao có ảnh
hưởng trực tiếp đến lực cắt.
Qua khảo sát bằng thực nghiệm ảnh hưởng của các yếu liên quan của dụng
cắt đến lực cắt được biểu thị qua các hệ số điều chỉnh trong công thức kinh
nghiệm tính lực cắt.
Từ đồ thị (logP
v
-loga)
có dạng tuyến tính, ta
có thể xác định được số
mũ:
v
p
y tg
Theo thực tế:
1
v
p
y
Khi cắt thép thì
0,75
v p p
P C t s K
Tương tự ta cũng nhận được phương trình tính các thành phần lực Ps và Pt
có dạng như trên.
Các giá trị hằng số lực cắt Cp, các số mũ xp, yp và các hệ số điều chỉnh K
được cho trong các sổ tay tra cứu về cắt gọt.
1.2.2. Ảnh hƣởng 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.
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.
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 êmuxi, lực cắt P
z
lớn hơn chút ít so
với trường hợp gia công không có dung dịch trơn nguội.
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,
ngoài ra độ chính xác và độ nhám bề mặt cũng được cải thiện đáng kể
1.3. NHIỆT CẮT KHI TIỆN.
- 18 -
Luận văn thạc sỹ
; Cal/g).
Nhiệt lượng sinh ra khi cắt làm nóng chi tiết gia công, phoi và dụng cụ
cắt. Nhiệt độ tại các điểm khác nhau có sự tác động của lượng nhiệt khác nhau và
gọi là nhiệt độ cắt tức thời của các điểm khối lượng khảo sát trong vùng cắt.
Trung bình cọng đại số của nhiệt độ các điểm khối lượng của phoi gọi là nhiệt độ
trung bình của phoi. Tương tự ta có nhiệt độ trung bình của dụng cụ và chi tiết
gia công. Nhiệt độ trung bình trên các bề mặt tiếp xúc của vật liệu gia côngvà vật
liệu cắt gọi là nhiệt độ cắt, qui ước gọi tắt là nhiệt cắt.
* Nguồn gốc của nhiệt cắt.
Như trên đã phân tích rõ ràng để tách được phoi và thắng được ma sát khi
cắt ta cần có lực cần thiết tác động vào chi tiết gia công tạo ra công cắt gọt và gần
như hầu hết công này chuyển biến thành nhiệt. Công này chính là để thực hiện
quá trình biến dạng và thắng ma sát khi cắt. Do vậy ta có thể nói rằng; nguồn gốc
của nhiệt cắt là biến dạng và ma sát khia cắt.
Q
cg
= Q
bd
+ Q
ms
(1.2)
- 19 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Vùng tiếp xúc của phoi và mặt trước dao. Nhiệt sinh ra do công biến dạng đàn
hồi và ma sát ngoài: Q
dm
Lượng nhiệt xuất hiện trên mặt trước dao là do 2 nguồn: do tác dụng của
lực ma sát trong ở lớp vật liệu phoi gần sát mặt trước kháng lại biến dạng đàn hồi
và lực ma sát ngoài trên mặt tiếp xúc.
+ Vùng tiếp xúc của mặt sau dao và mặt cắt của chi tiết gia công. Nhiệt sinh ra
do sự chuyển đổi công ma sát: Q
ms
phoi
dao
chi tiết
v
Hình 1.6- Nguồn gốc và sự phân bố nhiệt cắt
- 20 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
c.γ.V
K
(1.4)
Độ thay đổi chiều dài L theo phương nào đó của vật thể là:
ΔL = α.Δθ.L (mm)
(1.5)
Như vậy nếu ta xét trường hợp khi tiện một chi tiết có được đường kính là
D theo thiết kế trên bản vẽ , nếu nhiệt lượng truyền vào cho chi tiết là Q
ct
thì
nhiệt độ trên chi tiết sẽ tăng lên một lượng xác định và đường kính của chi tiết
sẽ thay đổi một lượng là D:
ΔD = α.Δθ.D (mm)
(1.6)
Mặt khác, nhiệt lượng Q
d
truyền vào dụng cụ cũng sẽ làm cho dụng cụ
tăng chiều dài về phía tâm chi tiết. Khác với chi tiết, vật liệu trên dao là không
đồng nhất giữa phần cắt và phần cán dao, do vậy sự biến dạng của dao theo chiều
dài dưới tác dụng của nhiệt cắt phức tạp hơn rất nhiều. Ỏ đây ta phải khảo sát
biến dạng dài của dao trong mối quan hệ phức hợp:
- 21 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dao.
Những kết quả nghiên cứu về cắt gọt cho thấy rằng khi cắt kim loại, đặc
biệt khi cắt ở tốc độ cao thì yếu tố quyết định lớn nhất đến khả năng cắt của dao
đó là nhiệt cắt, tiếp đến mới là ma sát.
Khả năng cắt gọt của dao được đánh gía bởi tuổi bền dao thông qua việc
xác định độ lớn của các dạng mài mòn dao cụ thể.
Dưới tác dụng của nhiệt khi cắt vật liệu của dao sẽ có sự thay đổi về tính
chất cơ - lý - hoá, đặc biệt độ cứng, độ bền giảm, tính chống mòn cũng giảm...
dẫn đến mài mòn dao nhanh chóng, hậu quả là thời gian sử dụng dao vào cắt gọt
cũng bị rút ngắn đi, dao nhanh chóng mất khả năng cắt gọt.
- 22 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tóm lại, nhiệt cắt ngoài ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công,
chất lượng lớp bề mặt gia công và khả năng cắt gọt của dao, còn ảnh hưởng đáng
kể đến máy và đồ gá trong hệ thống công nghệ.
1.3.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến nhiệt cắt khi tiện.
a. Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt.
Các tính chất về cơ học và nhiệt của vật liệu gia công có ảnh hưởng
đáng kể đến nhiệt cắt. Nhiệt cắt thấp hơn khi gia công hợp kim so với khi gia
công thép nhờ khả năng biến dạng nhỏ hơn của hợp kim.
Có thể nhận xét một cách tổng quát rằng khi cắt vật liệu giòn do công
biến dạng rất bé và lực cắt đơn vị không đáng kể nên nhiệt cắt thấp hơn khi cắt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong các yếu tố cắt thì tốc độ cắt là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến
nhiệt cắt. Khi tăng tốc đọ cắt thì nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đã đạt được
độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại và đường cong của hàm số phụ thuộc
θ = f(v) gần tiệm cận với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công.
Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt và
tốc độ cắt theo công thức sau:
.
x
v
Cv
Giá trị số mũ x
θ
phụ tuộc vào vật liệu gia công và vùng vận tốc cắt.
Khi v =15-45 m/ph thì x
θ
= 0,5 đối với gia công thép
và x
θ
được mở rộng, nhiệt cắt vì vậy
có tăng nhưng không tăng
nhanh như khi tăng tốc độ cắt.
Bằng thực nghiệm ta có
thể thiết lập được mối quan hệ
giữa nhiệt cắt và chiều dày cắt
theo công thức sau:
.
y
a
CaHình 1.8. Quan hệ giữa chiều
dày cắt và nhiệt căt
- 24 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chiều dày cắt ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn so với vận tốc cắt. Khi tăng
chiều dày a hay lượng chạy dao s thì nhiệt cắt tăng nhưng không phải tăng tuyến
tăng t do φ không đổi nên chiều dài
phần làm việc của lưỡi cắt tuy có
tăng nhưng điều kiện truyền nhiệt tốt
hơn. Kết quả là nhiệt cắt thay đổi ít.
Từ kết quả thực nghiệm ta
thiết lập được mối quan hệ giữa
nhiệt cắt θ và chiều rộng cắt b như
sau:
.
z
b
CbTa có đối với thép: z
θ
= 0,05-0,14
đối với gang: z
θ
= 0,04
- 25 -
Luận văn thạc sỹ
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Copyright: Tài liệu đại học ©