Ảnh hưởng của chế độ cắt đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dụng cụ CBN

Phan Quang Thế và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 83(07): 67 - 71<br /> <br /> ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CÁC THÀNH PHẦN LỰC CẮT<br /> TRONG TIỆN CỨNG TRỰC GIAO THÉP 9XC BẰNG DỤNG CỤ CBN<br /> Phan Quang Thế, Nguyễn Thị Quốc Dung*, Hoàng Minh Phúc<br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy<br /> dao đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao thép 9XC. Mảnh dao CBN dạng đặc với<br /> thành phần CBN cao được sử dụng trong quá trình tiện cứng phôi ống thép 9XC. Hai nhân tố vận<br /> tốc cắt và lượng chạy dao được tiến hành thí nghiệm ở hai mức yếu tố. Trong quá trình tiện cứng,<br /> các thành phần lực cắt đã được đo đạc. Phân tích phương sai kết quả thí nghiệm cho thấy cả ba yếu<br /> tố vận tốc cắt, lượng chạy dao và tương tác giữa chúng đều có ảnh hưởng đáng kể đến các giá trị<br /> của lực cắt. Trong đó, lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất và vận tốc cắt có ảnh hưởng ít hơn so<br /> với ảnh hưởng của tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao.<br /> Từ khóa: Tiện cứng, lực cắt, dụng cụ cắt, phân tích phương sai, tiện cứng trực giao<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> Với nhiều ưu thế nổi bật, tiện cứng đang là<br /> một phương pháp gia công tinh được ứng<br /> dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành công<br /> nghiệp[1]. Có rất nhiều nghiên cứu liên quan<br /> đến quá trình tiện cứng đã được công bố.<br /> Xem xét các kết quả nghiên cứu cho thấy,<br /> thuộc tính của dụng cụ cắt và vật liệu phôi,<br /> thông số hình học của dụng cụ, điều kiện gia<br /> công và các tính chất của hệ thống công nghệ<br /> được coi như là các thông số đầu vào của quá<br /> trình tiện cứng và chúng có thể được lựa chọn<br /> khi bắt đầu gia công. Các thông số như lực<br /> cắt, nhiệt cắt, chất lượng bề mặt và tuổi thọ<br /> dụng cụ được coi như là các tiêu chuẩn về<br /> hiệu quả của quá trình hoặc là các thông số<br /> đầu ra. Việc xác định chính xác lực cắt trong<br /> quá trình gia công luôn đóng vai trò quan<br /> trọng trong nghiên cứu tối ưu hóa quá trình,<br /> thiết kế tối ưu các thông số của dụng cụ và hệ<br /> thống công nghệ. Lực cắt đặc trưng cho công<br /> suất cần thiết và là chỉ tiêu chủ yếu để thiết kế<br /> các phần tử của máy cắt kim loại, các cơ cấu<br /> kẹp và cố định dụng cụ cũng như các yêu cầu<br /> về độ cứng vững để đảm bảo loại trừ rung<br /> động trong gia công. Do lớp kim loại được cắt<br /> đi rất mỏng nên các thành phần lực đo được<br /> trong cắt kim loại thường không vượt quá vài<br /> chục đến vài trăm kilogram. Mặc dù lực<br /> tương đối nhỏ so với các quá trình gia công<br /> kim loại khác như rèn, ép…nhưng do tác<br /> dụng trên một diện tích rất bé đã khiến cho<br /> *<br /> <br /> Tel: 0915308818; Email: quocdung@tnut.edu.vn<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> ứng suất sinh ra trong quá trình cắt kim loại<br /> thuộc loại cao nhất trong các quá trình gia<br /> công. Nhiệt độ cao và ứng suất lớn là nguyên<br /> nhân của một loạt các quá trình hóa lý phức<br /> tạp xảy ra trong quá trình cắt đồng thời diện<br /> tích tiếp xúc nhỏ là trở ngại lớn trong việc<br /> tiếp cận nghiên cứu vùng cắt. Trong quá trình<br /> tiện cứng, độ cứng cao của phôi cùng với các<br /> thông số hình học đặc trưng của dụng cụ, tốc<br /> độ cắt lớn và điều kiện gia công khô đã có<br /> ảnh hưởng lớn làm cho tác dụng của lực cắt<br /> có những thay đổi đáng kể so với quá trình<br /> tiện thông thường. Vì vậy, việc nghiên cứu<br /> tìm hiểu tác động của các nhân tố cắt đến các<br /> thành phần lực cắt là điều cần thiết. Đó còn là<br /> cơ sở để tính toán ứng suất và nhiệt cắt, các<br /> nhân tố chính ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ<br /> cũng như chất lượng bề mặt gia công.<br /> Trong phạm vi tìm hiểu về các hiện tượng xảy<br /> ra trong quá trình tiện cứng, một loạt các<br /> nghiên cứu đã được tiến hành cho nhiều loại<br /> vật liệu. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện thời<br /> về vấn đề này vẫn chưa cho phép khái quát<br /> hóa các kết quả đạt được và dự đoán trạng<br /> thái của các vật liệu khác. Vì vậy, việc nghiên<br /> cứu đối với các vật liệu này luôn phải tiếp<br /> tục[2]. Theo Nakayama và cộng sự[3], lực cắt<br /> trong gia công các vật liệu cứng không lớn<br /> hơn các vật liệu mềm mềm. Góc trượt lớn và<br /> sự hình thành phoi răng cưa do độ dẻo kém đã<br /> làm giảm lực cắt mặc dù độ bền cao của vật<br /> liệu cứng. Hơn nữa, khi gia công các thép<br /> cứng, góc trước âm của dụng cụ càng lớn thì<br /> lực dọc trục càng cao và lực cắt tiếp tuyến<br /> càng thấp. Sự biến thiên của các thành phần<br /> 67<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Phan Quang Thế và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> lực cắt cũng bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của<br /> độ cứng của vật liệu gia công. Strafford và<br /> Audy [4] đã cho thấy khi tiện cứng thép AISI<br /> 4340 có độ cứng từ 29 đến 57 HRC bằng<br /> dụng cụ gốm đã có sự tăng tương ứng lực cắt<br /> từ 30-80%. Trong một công bố khác[5] đã<br /> chứng tỏ rằng tốc độ cắt càng cao, lực dọc<br /> trục và lực cắt riêng càng thấp, không phụ<br /> thuộc vào mòn dụng cụ.<br /> Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến quá trình<br /> tiến triển của lực cắt cũng đã được mô hình<br /> trong nhiều nghiên cứu. Bằng việc tiến hành<br /> các thí nghiệm khi gia công thép AISI D2 ở<br /> độ cứng 62HRC với dụng cụ cắt CBN,<br /> Arsecularatne và cộng sự [6] đã kết luận có<br /> một mối liên hệ chặt chẽ giữa lực cắt và điều<br /> kiện cắt. Huang và Liang [7] trình bày lực cắt<br /> tổng cộng là tổng của các thành phần lực để<br /> tạo phoi và lực do mòn mặt sau. Mô hình này<br /> được đánh giá bằng thực nghiệm quá trình tiện<br /> cứng chính xác thép AISI 52100 ở độ cứng 62<br /> HRC với dụng cụ CBN. Chen [8] cũng công bố<br /> khi nghiên cứu thực nghiệm tiện cứng thép<br /> bằng dụng cụ CBN, lực hướng kính có giá trị<br /> lớn nhất trong ba thành phần lực cắt.<br /> Để cải thiện hiệu quả chung của công nghệ<br /> tiện cứng, cần thiết phải có một sự hiểu biết<br /> hoàn chỉnh về quá trình. Với mục tiêu như<br /> vậy, nghiên cứu này tập trung vào phân tích<br /> ảnh hưởng của các nhân tố điều kiện cắt cũng<br /> như ảnh hưởng của sự tương tác giữa chúng<br /> đến các thành phần lực trong tiện cứng trực<br /> giao bằng phương pháp phân tích thống kê.<br /> THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM<br /> Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện vạn<br /> năng Tuda (Nhật Bản). Phôi có dạng ống,<br /> chiều dài L=80mm, đường kính 100, làm từ<br /> thép hợp kim 9XC (Nga), tôi thể tích đạt độ<br /> cứng HRC 52-55 (hình1). Thành phần hóa<br /> học của vật liệu phôi cho trong bảng 1. Dụng<br /> cụ cắt dùng trong thí nghiệm là mảnh CBN<br /> đặc hình tam giác, ký hiệu TNGN110308E<br /> (SECO-Thụy Điển). Bán kính mũi dao r=0,1,<br /> chiều dày s=3,18 (hình 2). Thân dao của<br /> SECO ký hiệu CTFNR2525M11 hợp với<br /> mảnh dao để tạo thành góc trước  = -60, góc<br /> sau  = 60.<br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 83(07): 67 - 71<br /> <br /> Bảng 1. Thành phần hóa học của thép 9XC<br /> C<br /> Si<br /> P<br /> Mn<br /> Ni<br /> Cr<br /> Mo<br /> 0,823 1,2351 0,0241 0,5862 0,0332 1,113 0,0192<br /> V<br /> Cu<br /> W<br /> Ti<br /> Al<br /> Fe<br /> <br /> Hình 1. Phôi và dao dùng trong thí nghiệm<br /> <br /> Các thành phần lực cắt được đo bằng thiết bị<br /> đo lực ba chiều ký hiệu PTNKĐ-ĐL (Viện<br /> Tên lửa-Việt Nam) như hình 2.<br /> <br /> Hình 2. Thiết bị đo lực PTNKĐ-ĐL<br /> <br /> TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM<br /> Với mục tiêu đơn giản hóa quá trình, thí<br /> nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số<br /> chế độ cắt đến các thành phần lực cắt được<br /> thực hiện theo sơ đồ cắt trực giao. Sơ đồ thí<br /> nghiệm như hình 3:<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ thí nghiệm tiện cứng trực giao<br /> <br /> Các nghiên cứu đã chứng tỏ quan hệ phụ<br /> thuộc giữa lực cắt và các thông số chế độ cắt<br /> là quan hệ hàm số mũ có dạng: F= Cvrtpsq (1)<br /> Trong trường hợp không xét đến tương tác<br /> kép giữa các biến thì C, r, p, q là các hằng số.<br /> 68<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Phan Quang Thế và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Để tuyến tính hóa, logarit hai vế, hàm biểu<br /> diễn quan hệ phụ thuộc giữa lực cắt vào chế<br /> độ cắt sẽ là: lnF=lnC+rlnv+plnt+qlns (2)<br /> Với sơ đồ cắt trực giao như hình 3, chiều sâu<br /> cắt t không thay đổi và thành phần lực hướng<br /> kính Fy sẽ được loại bỏ. Các thí nghiệm được<br /> qui hoạch theo kế hoạch bậc một hai nhân tố<br /> ở hai mức yếu tố như trong bảng 2. Ngoài 4<br /> điểm thí nghiệm cần thực hiện theo qui hoạch<br /> còn có các thí nghiệm được thực hiện song<br /> song tại tâm. Mỗi thí nghiệm được thực hiện<br /> tương ứng với chiều dài cắt L=15mm theo<br /> phương dọc trục ở chiều sâu cắt cố định là<br /> 3mm. Các dữ liệu ghi được như trong hình 4<br /> cho thấy lực cắt tương đối ốn định trên suốt<br /> chiều dài cắt chứng tỏ rung động là không<br /> đáng kể. Kết quả thí nghiệm được tổng hợp<br /> trong bảng 3.<br /> <br /> Hình 5 là đồ thị ảnh hưởng của các nhân tố<br /> vận tốc cắt v, lượng chạy dao s và tương tác<br /> giữa chúng đến các thành phần lực cắt Fz và<br /> Fx trong tiện cứng trực giao. Phân tích<br /> phương sai của các thành phần lực cắt như<br /> trong bảng 4.<br /> <br /> b)<br /> <br /> a)<br /> <br /> Fz  3,719.104 v3,3903 s1,4974ln v 6,6020<br /> c)<br /> <br /> d)<br /> <br /> Bảng 2 Các thông số cắt và các mức giá trị<br /> Mức yếu tố<br /> -1<br /> +1<br /> 0<br /> <br /> Vận tốc cắt<br /> v (m/p)<br /> 75<br /> 245<br /> 160<br /> <br /> Lượng chạy dao<br /> s (mm/v)<br /> 0.09<br /> 0.12<br /> 0.105<br /> <br /> 83(07): 67 - 71<br /> <br /> e)<br /> <br /> f)<br /> <br /> Hình 5. Ảnh hưởng của các nhân tố v và s và<br /> tương tác giữa chúng đến các thành phần lực cắt<br /> trong tiện cứng trực giao<br /> Bảng 4. Phân tích phương sai của các thành phần<br /> lực cắt trong tiện cứng trực giao<br /> <br /> Hình 4. Biến thiên của các thành phần lực cắt ở a)<br /> n=330vg/ph; s=0,12 mm/vg; b) n=770vg/ph;<br /> s=0,12mm/vg;<br /> Bảng 3. Kết quả thí nghiệm xác định các thành<br /> phần lực cắt<br /> Thí<br /> nghiệm<br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> 4<br /> 5<br /> 6<br /> 7<br /> <br /> Nhân tố<br /> v<br /> s<br /> (m/p)<br /> (mm/vg)<br /> 75<br /> 0,09<br /> 245<br /> 0,09<br /> 75<br /> 0,12<br /> 245<br /> 0,12<br /> 160<br /> 0,105<br /> 160<br /> 0,105<br /> 160<br /> 0,105<br /> <br /> Lực cắt<br /> Fz (N)<br /> <br /> Fx(N)<br /> <br /> 1199.41<br /> 894.85<br /> 1153.09<br /> 1432.56<br /> 1362.48<br /> 1287.28<br /> 1311.52<br /> <br /> 297.35<br /> 267.09<br /> 337.03<br /> 417.85<br /> 351.48<br /> 376.02<br /> 361.33<br /> <br /> PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> Mô hình phân tích hồi qui xác định giá trị lực<br /> cắt trong hệ tọa độ logarit sau khi loại trừ các<br /> hệ số không có nghĩa có dạng như sau:<br /> Lực Fz: $y  7, 0509  0,1078 x2  0,1275 x1 x2<br /> (3)<br /> $<br /> Lực Fx: y  5, 7844  0,1078 x2  0, 0806 x1 x2 (4)<br /> Mô hình hoàn toàn tương hợp với hệ thống<br /> thực nghiệm khi thỏa mãn tiêu chuẩn Fisher:<br /> F