Chương 3 BIẾN DẠNG VÀ MA SÁT KHI CẮT KIM LOẠI

Chia sẻ: Nguyen Van Quyet | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

137
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'chương 3 biến dạng và ma sát khi cắt kim loại', kỹ thuật - công nghệ, cơ khí - chế tạo máy phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 3 BIẾN DẠNG VÀ MA SÁT KHI CẮT KIM LOẠI

1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Chương 3 BIẾN DẠNG VÀ MA SÁT KHI CẮT KIM LOẠI Cắt kim loại là dùng dụng cụ cắt hớt bỏ đi lớp dư gia công c ơ kh ỏi chi ti ết đ ể nh ận được bề mặt đã gia công trên chi tiết theo những yêu cầu cho trước. Lớp lượng dư gia công cơ đã bị hớt bỏ đi khỏi chi tiết gọi là phoi cắt. Phần kim loại sát đầu dao còn liên kết với chi ti ết và phoi khi c ắt đ ược g ọi là vùng cắt. Phoi, bề mặt đã gia công và vùng cắt là đối tượng để nghiên cứu cơ chế cắt gọt. Phương hướng nghiên cứu cơ chế cắt gọt là tìm mối quan hệ giữa hi ện tượng cắt gọt và cơ học. Với phương hướng đó từ trước thế kỷ XIX tới nay c ả về thực nghiệm lẫn lý thuyết con người đã đạt được những kết quả đáng kể. Tuy nhiên, cơ chế c ắt gọt còn đang là đề tài cần tiếp tục làm rõ. 3.1. Quá trình hình thành phoi khi cắt kim loại. Lúc đầu người ta cho rằng: cắt kim loại cũng tương tự như quá trình ch ẻ tre, ch ẻ nứa. Tức là phoi được tách ra theo thớ của kim loại. Quan sát cắt gọt thực tế, ta dễ dàng phát hiện hai nhận xét quan trọng: 1. Phoi được tánh ra khỏi chi tiết khi cắt không theo phương của v ận t ốc c ắt v (tức là phương lực tác dụng) 2. Phoi khi cắt ra bị uốn cong về phía m ặt tự do; kích th ước c ủa phoi b ị thay đ ổi so với lớp cắt khi còn trên chi tiết (hình 3.1). bF LF aF V V b a L Hình 3.1 Hai nhận xét trên trước hết đã bác bỏ quan niệm lúc đầu về quá trình c ắt kim lo ại là không xác thực. Như vậy thực chất của quá trình tạo thành phoi cắt là gì? Trọng một thời gian dài, bằng con đường lý thuyết người ta không tìm n ổi l ời gi ải đáp đúng đắn. Do vậy nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành hàng lo ạt thí nghi ệm. Đ ể đ ơn giản, các thí nghiệm được tiến hành trên mẫu bào và ti ện t ự do theo nh ững ph ương pháp khái quát sau: 1. Bằng cách chú ý quan sát mặt bên của vật gia công.
2 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS 2. Bằng cách chụp ảnh với độ phóng đại lớn vùng cắt. 3. Bằng cách quan sát cấu trúc tế vi của vùng cắt, phoi và mặt đã gia công. Sau đây chúng ta nghiên cứu một số thí nghiệm điển hình nhằm khám phá cơ ch ế c ắt gọt. 3.1.1. Thí nghiệm so sánh mẫu nén và cắt: Mô hình thí nghiệm được mô tả hình 3.2. a. Thí nghiệm cắt nén mẫu b. Thí nghiệm cắt mẫu với dao có γ = 00 Dao ψ ψ B B C P A ψ D A a/ b/ Hình 3.2 Khi quan sát thí nghiệm nén mẫu, người ta thấy rằng: các phân tử kim lo ại dưới sức ép của đầu nén bị biến dạng, phương biến dạng là phương AB và CD tạo với phương của ngoại lực tác dụng P một góc ψ xác định đối với từng loại vật liệu (thép ψ = 450). Điều tương tự đó cũng xảy ra đối với m ẫu cắt (hình 3.2.b.), nhưng ph ương CD thì các phân tố kim loại đã bị phần kim loại trên mẫu chặn lại. Do đó ph ương bi ến dạng ch ỉ còn là AB . Kết quả trên đã cho ta kết luận quan trọng là: thực chất quá trình tách phoi ra kh ỏi chi tiết là quá trình biến dạng của các phần tử kim loại dưới sức ép của đầu dao. 3.1.2. Thí nghiệm quan sát sự dịch chuyển của các phần tử kim loại khi cắt. P' Dao FR r Foi F R V ψ B ψ Aψ 3 2 d 3' P 1 2' 0 Chi tiÕt Hình 3.3
3 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Để tiếp tục làm rõ bản chất của quá trình cắt kim loại, người ta ti ến hành m ột thí nghiệm khác. ở thí nghiệm này, các phần tử kim loại trên mặt bên c ủa m ẫu đ ược đánh dấu. Khi cắt ta quan sát sự dịch chuyển của các phần tử kim loại đã được đánh dấu đó. Ví dụ trên hình 3.3. mô tả quá trình dịch chuyển của phần tử kim lo ại P khi c ắt. T ừ P đ ến 1 phần tử kim loại dịch chuyển gần như song song v ới ph ương v ận t ốc c ắt v . Qua khỏi điểm 1, đáng lẻ phần tử kim loại chuyển đến điểm 2', nhưng th ực t ế thì nó d ịch đ ến đi ểm 2. Đoạn 2'2 gọi là lượng trượt của phần tử kim loại P tại thời điểm 2. Điểm 1 là điểm bắt đầu trượt của phần tử kim loại P khi cắt. Tương tự nh ư vậy ở th ời đi ểm 3 l ượng trượt là 3'3 . Tiếp tục cắt, sau khi qua khỏi điểm 3 phần tử kim lo ại P di chuyển đ ến đi ểm 4. Đoạn đường 34 song song với mặt trước của dao. Điều đó có nghĩa là đến thời điểm 3 thì quá trình trượt của phần tử kim loại P đã kết thúc và nó đã chuyển thành phoi c ắt. Điểm 3 được gọi là điểm kết thúc trượt của phần tử kim lo ại P khi c ắt. B ằng cách đánh dấu như vậy ta xây dựng được đường dịch chuyển c ủa phân tố kim lo ại P khi c ắt là P1234P' . Trong đó đoạn 4P' là một cung cong về phía m ặt tự do c ủa phoi có bán kính R?P. Điểm 4 được xác định bằng cách: từ điểm tách rời sự ti ếp xúc gi ữa phoi và m ặt tr ước dao (E) ta kẻ (EF) vuông góc với mặt trước dao (EF ⊥ OE). EF sẽ cắt đường P1234P' tại 4. Nếu quan sát vô số điểm trên mặt bên của mẫu cắt, ta sẽ nhận được vô số đường dịch chuyển của các phần tử kim loại tương ứng; đồng thời xác lập được m ặt cắt trượt OA và mặt kết thúc trượt OC. Vùng giới hạn bởi mặt bắt đầu trượt OA và mặt kết thúc trượt OC gọi là vùng trượt. Thí nghiệm trên được tiến hành với tốc độ cắt v = 0,002 m/ph. Trong th ực t ế, t ốc đ ộ cắt lớn hơn rất nhiều so với tốc độ đã thí nghiệm, do đó tốc đ ộ bi ến d ạng tr ượt cũng r ất lớn, Chính vì vậy mặt bắt đầu trượt OA và mặt kết thúc trượt OC gần nh ư trùng nhau. Kinh nghiệm cho thấy khoảng cách giữa 2 mặt này rất nh ỏ, trong kho ảng 0,03 - 0,2 mm. Để đơn giản cho việc nghiên cứu tính toán sau này, người ta coi 2 m ặt )A và OC trùng nhau, gọi là mặt trượt OM, tạo với phương vận tốc c ắt v một góc β1 gọi là góc trượt (hay góc tách phoi). Nghiên cứu quá trình cắt kim loại, thường người ta để ý tới 3 trạng thái bi ến d ạng: biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi và sự gãy vỡ. Những thí nghiệm đã ch ứng t ỏ r ằng: phoi cắt và lớp kim loại dưới mặt sau dao (bề mặt đã gia công) bao gi ờ cũng phát sinh bi ến dạng dẻo. Điều đó khẳng định rằng: dòn không phải là b ản chất c ủa v ật li ệu mà ch ỉ là trạng thái của chúng mà thôi. Từ quan điểm về cắt gọt, giữa những vật li ệu dòn và vật liệu dẻo không thể xác định rõ giới hạn, bởi vì cùng m ột vật li ệu có th ể tr ở thành dòn hoặc dẻo tuỳ thuộc vào tải trọng tác dụng lên nó. Khi cắt kim loại, tác dụng nhiệt cũng gây nhiều khó khăn cho việc gi ải đáp các hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt. Theo các kết quả thí nghi ệm cho th ấy: Khi t ốc đ ộ bi ến dạng tăng lên thì nhiệt trong vật thể bi ến dạng cũng tăng lên. Tính d ẻo c ủa kim lo ại thay đổi theo nhiệt. Với những cản trở như vậy cho nên mãi đến nay việc gi ải thích c ơ ch ế c ủa quá trình cắt gọt còn tồn tại nhiều mâu thuẫn. Song trong đó, ý ki ến giải thích khá t ập trung là: Quá trình hình thành phoi cắt là quá trình trượt dần hay trượt liên tục của các ph ần t ử kim lo ại theo mặt trượt của chúng [2]. Hiện tượng phoi bị uốn cong về phía mặt tư do của chúng sau khi ra kh ỏi m ặt EF được giải thích như sau: Các phần tử kim loại sau khi ra khỏi vùng trượt thì quá trình trượt cơ bản đủ kết thúc. Nhưng trong khi đó thì các phần t ử kim lo ại n ằm sát và ti ếp xúc v ới mặt trước dao vẫn bị mặt trước dao chèn ép. ma sát, do đó vẫn tiếp tục bị biến dạng.
4 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Kết quả của sự chèn ép này là các hạt kim loại ở vùng ti ếp xúc bị ép dài ra khi thành phoi. Thể hiện sự kéo dài đó là OE > OF. Mặt khác từ ở vùng OE b ị m ặt tr ước dao ma sát, sau khi ra khỏi điểm E, các phần tử kim loại đột ngột được tự do. Do tập hợp những nguyên nhân trên, sau khi ra khỏi mặt EF phoi bị uốn cong v ề phía m ặt t ự do c ủa chúng - tức là r < R. 3.1.3. Các dạng phoi khi cắt kim loại: Phoi được hình thành là một kết quả của quá trình biến dạng và ma sát khi c ắt. Tuỳ thuộc vào loại vật liệu gia công, các điều kiện ti ến hành c ắt gọt mà phoi đ ược t ạo thành có nhiều dạng khác nhau. Như vậy một cách ngược lại, từ dạng phoi cắt ta có thể phán đoán được vật liệu gia công và những điều kiện cắt đã thực hiện. Trong nghiên cứu về cơ chế cắt gọt, xuất phát từ những m ục đích nghiên c ứu khác nhau, đã có nhiều cách phân loại dạng phoi khác nhau. Nói chung không dễ dàng trong vi ệc phân biệt một cách rõ ràng các dạng phoi cắt. Vì vậy nói đ ến d ạng phoi c ắt là gi ới thi ệu trong những trường hợp kiểm tra cụ thể mà thôi. A. Nhóm phoi gãy vụn (phoi vụn) B. Nhóm phoi liên tục. 3.1.3.1. Phoi gãy vụn. Thường khi cắt vật liệu dòn hoặc những vật liệu dẻo với tốc độ cắt tương đối nh ỏ thì phoi được tạo ra bị gãy vụn gọi là phoi vụn (hình 3.4). phôi Dao Lùc c¾t (N) chi tiÕt Thêi gian t (ph) Hình 3.4 Các phần tử phoi chèn ép lẫn nhau ngay trước lưỡi c ắt của dao. Lúc đó ứng su ất trong phoi đã đạt tới giới hạn bền nén của vật liệu cắt, và gãy v ụn. Kích th ước m ỗi h ạt phoi thường rất nhỏ, thường nhỏ hơn 1cm3. Các hạt phoi được gãy theo đường biên giới các hạt, do đó khi hình thành phoi vụn thì bề mặt đã gia công lưu lại các nhấp nhô. Mặt khác do quá trình gãy v ụn phoi x ảy ra liên tục khi cắt, cho nên dao động về lực cắt cũng lớn. Đi ều đó cũng ảnh h ưởng x ấu đ ến ch ất lượng bề mặt đã gia công. Trong thực tế khi gia công tinh và gia công có yêu c ầu bề m ặt cao, c ần chú ý tránh tạo phoi vụn bằng cách chọn chế độ cắt hợp lý. 3.1.3.2. Phoi liên tục.
5 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Sự hình thành phoi liên tục là đặc trưng khi cắt những vật liệu dẻo. Các phần tử phoi khi được tách ra không bị gãy rời ra mà còn dính vào nhau thành dãy liên tục. Phoi liên tục lại được phân thành 3 nhóm: a. Phoi xếp, b. Phoi dây, c. Phoi lẹo dao. 1. Phoi xếp. v v v β1 β1 β1 a b c Hình 3.5 Cũng trong những điều kiện tạo phoi gãy vụn, n ếu ta tăng tốc đ ộ c ắt lên đ ến m ột giới hạn nào đó thì các phần tử phoi tạo ra sẽ không bị gãy thành các h ạt v ụn, mà chúng tạo thành các mảnh phoi có liên kết và chồng xếp lên nhau (Hình 3.5.a,b). Bằng m ắt thường ta cũng có thể phân biệt được các phần tử phoi xếp. Các phần tử phoi được tách ra khi cắt, chúng bị hàn dính vào nhau, nhưng sự kết dính đó chỉ cần một lực tác động nhỏ cũng đủ tách ra từng miếng một. 2. Phoi dây. Phoi dây là một loại phoi liên tục, các phần tử phoi liên k ết nhau thành chu ỗi liên t ục (hình 3.5.c). Phoi dây được tạo thành khi cắt các loại vật liệu dẻo với tốc độ tương đối lớn. Biến dạng cắt khi tạo phoi dây là bé nhất. Vì vậy trong những tr ường h ợp gia công tinh ta cần cố gắng tạo phoi dây bằng cách nâng cao tốc độ cắt. Khi tạo phoi dây, do phoi được hình thành một cách liên tục, do đó l ực c ắt khá ổn định, ít rung động. Nhờ vậy dễ đạt độ bóng bề mặt cao. Trong sản xuất cần lưu ý: phoi dậy một mặt dễ gây tai nạn cho công nhân đứng máy, mặt khác có thể cuốn vào chi tiết gây cào xước trên bề mặt đã gia công. Do v ậy khi c ắt phoi ra dây cần chú ý sử dụng các cơ cấu cuốn và bẻ phoi. 3. Phoi lẹo dao: Nói chung khi cắt tạo ra phoi dây ho ặc phoi liên tục thì th ường x ảy ra hi ện tr ượng: các phần tử kim loại của chi tiết gia công bị tách ra dính trên mặt trước, m ặt sau dao; dính trên mặt đang và đã gia công của chi tiết. Các khối kim lo ại dính nh ư v ậy đ ược g ọi là kh ối lẹo dao. Hiện tượng này được gọi là khối lẹo dao. Độ cứng của các khối lẹo dao cao hơn nhiều so với độ cứng bản thân vật liệu chi tiết. Khối lẹo dao được xuất hiện, lớn lên đến một độ lớn nào đó thì b ị phân ra làm 3 thành phần: - Một phần dính trên mặt đang và đã gia công của chi tiết. chi tiÕt chi tiÕt chi tiÕt chi tiÕt α α α α Dao Dao Dao Dao α
6 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Hình 3.6 - Một phần dính lên phoi và bị phoi mang ra ngoài. - Một phần dính trên mặt trước và mặt sau dao, phần này lại ti ếp tục l ớn lên đ ến một mức độ nào đó lại chia làm 3 thành phần. Phoi lẹo dao thực chất là phoi liên tục nhưng trọng những đi ều ki ện c ắt c ụ th ể nó mang thoe các khối lẹo dao (hình 3.6). Hiện tượng lẹo dao có ảnh hưởng lớn tới quá trình cắt kim lo ại. Kh ối l ẹo dao hình thành trên đầu dao làm thay đổi góc trước và góc sau của dao, đồng thời nó trực ti ếp mài cà lên các bề mặt trực tiếp tiếp xúc với nó. Công tác nghiên c ứu c ắt g ọt cho th ấy: các kh ối leo dao sinh ra, lớn lên và mặt đi một cách liên tục, gây rung đ ộng cho quá trình c ắt, do đó tạo nhấp nhô trên bề mặt đã gia công của chi tiết. Nói chung, hiện tượng lẹo dao cần nên tránh khi cắt kim loại. Kinh nghiệm cho thấy: có thể giảm hoặc triệt tiêu hiện tượng lẹo dao bằng cách gi ảm m ức đ ộ bi ến dạng và ma sát khi cắt. Mức độ biến dạng cắt có thể giảm bằng cách tăng tốc độ c ắt gọt và tăng góc tr ước của dao. Mức độ ma sát có thể giảm bằng cách mài bóng mặt tr ước và m ặt sau c ủa dao hoặc dùng dung dịch bôi trơn - làm nguội để vừa gi ảm ma sát v ừa gi ảm nhi ệt đ ộ khi c ắt. Những biện pháp này cần được chú ý khi gia công tinh. Như chúng ta thấy, phoi cắt có thể phân loại được bằng nhi ều cách khác nhau. Nhưng nghiên cứu một cách tổng quát thì hình dạng của phoi phụ thuộc vào vật li ệu chi tiết gia công và các điều kiện cắt gọt. Nếu cắt với tốc độ rất nhỏ, thì đối với mọi vật liệu gia công ta đ ều nhận đ ược phoi gãy vụn. Khi cắt các vật liệu dẻo mà tăng tốc đ ộ c ắt lên thì hình thành phoi liên t ục. Tuỳ thuộc sự tăng lên của vận tốc cắt sẽ xuất hiện phoi xếp ho ặc phoi dây. Khi c ắt nh ững v ật liệu dòn với tốc độ cắt rất cao cũng có thể nhận được phoi liên tục. 3.2. Quá trình hình thành bề mặt đã gia công trên chi tiết. ở phần "quá trình hình thành phoi", do đối tượng nghiên cứu là phoi nên ta đã lý tưởng hoá đầu dao là hoàn toàn sắc nhọn. Thực tế cho thấy rằng: dù dao được chế tạo t ừ loại vật liệu gì và mài sắc bằng cách nào thì đầu dao cũng không th ể sắc nh ọn lý t ưởng được mà luôn luôn tồn tại một phần có bán kính ρ. Ví dụ: dao thép gió tuỳ thuộc vào điều kiện mài sắc, bán kính đầu dao tồn tại trong kho ảng ρ = 10-18 µm; dao hợp kim cứng thì ρ=18-20 µm. Một thực tế khác cũng không thể bỏ qua khi nghiên cứu quá trình hình thành bề mặt đã gia công là sự tiếp xúc, ma sát giữa bề mặt sau dao và bề m ặt đã gia công c ủa chi tiết khi cắt. Sự tiếp xúc này một mặt do quá trình mài mòn m ặt sau c ủa dao gây nên, mặt khác do biến dạng đàn hồi của lớp kim loại sát bề mặt đã gia công gây nên. aF Những thực tế không thể bỏ qua đó được miêu tả ở mô hình 3.7. Dao Ta hãy phoi o sát khả năng dịch chuyển củaV3 phần tử kim lo ại O, O 1 và O2 trong quá khả trình cắt. Vc1 Tương tự như trong trường hợp cắt mẫu kim loại ở hình 3.2 ta dễ dàng có nhận xét. a ∆a Rψ F ∆h Rψ E ψR hs Vc2 Cs chi tiÕt
7 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Phương vận tốc cắt Phương trượt của kim loại Phương lực ép Hình 3.7 1. Phương trượt của hạt kim loại tạo với áp lực pháp tuyến lên phần tử kim lo ại đó một góc ψ. 2. Tại O (phân tử kim loại O) có phương trượt v c // v . 3. Tại O1 (phần tử kim loại O1) có phương trượt hướng về phía phoi, do đó có khả năng trượt để thành phoi. 4. Tại O2 (phần tử kim loại O2) có phương trượt hướng về phía chi tiết gia công. Do đó sự trượt bị chặn lại - không thể thành phoi cắt. Từ những nhận xét trên cho ta rút ra kết luận rất quan trọng như sau: Khi cắt, những phần tử kim loại trên trên lớp cắt có chi ều dày a n ằm trên m ặt OF s ẽ bị trượt và tạo thành phoi; những phần tử kim loại nằm trước mặt OF sẽ bị đầu dao nén ép để tạo thành bề mặt đã gia công của chi tiết. Lớp kim lo ại b ị nén ép đó có chi ều dày ∆ a. Lớp kim loại ∆ a bị biến dạng dưới sức ép của đầu dao và mặt sau dao. β1 V O δ' B O3 δ' A τ δ τ τ δ δ τ δ éo NhiÖt ® ® Hình 3.8 Dao phoi BÒ mÆt ® gia c«ng · 0 0,5mm Chi tiÕt
8 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Hình 3.9 Sự biến dạng của lớp kim loại ∆ a xảy ra cả biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi. Do biến dạng đàn hồi nên khi ra khỏi mặt sau dao m ột phần c ủa l ớp kim lo ại đ ược ph ục hồi 1 lượng ∆ h < ∆ a. Phân tích trạng thái ứng lực của các phần tử kim lo ại trong khu v ực b ị chèn ép ta thấy: các phần tử kim loại nằm trong vùng từ O đến O 3 vừa chịu ứng lực nén σ do đầu dao ép, vừa chịu ứng suất kéo τ do ma sát giữa mặt dao và các phần tử kim lo ại trên chi ti ết sát đó. Cũng tương tự như vậy đối với các phần tử kim loại trong khu v ực O 2 A. Riêng trong vùng AB thì các phần kim loại trên chi tiết do sự giãn n ở đ ột ngột t ừ vùng chèn ép ra tr ạng thái tự do bị các phần tử kim loại trước nó và sau nó kéo ra (hình 3.8). Do hi ện t ượng kéo giãn đột ngột đó nên bề mặt đã gia công dễ phát sinh các vết nứt tế vi. Bên cạnh tải trong lực phức tạp như vậy, bề mặt đã gia công còn nh ận tác d ụng nhiệt cũng hết sức phức tạp (Hình 3.9). Tải trọng lực và tải trọng nhiệt phức tạp như vậy cho b ề m ặt đã gia công nh ững hiện tượng cơ - lý cũng hết sức phức tạp. Những hiện tượng đó là: 1. ứng suất dư phát sinh ra trong lớp bề mặt sát bề mặt đã gia công. 2. Một lớp mỏng của lớp bề mặt đã gia công bị hoá bền (hay bị biến cứng) 3. Trên bề mặt đã gia công xuất hiện các vết nứt tế vi. A C Chi tiÕt phoi II V I III IV Dao Hình 3.10 Tổng hợp những kết quả nghiên cứu quá trình thành phoi và quá trình hình thành b ề mặt đã gia công, được đúc kết thành lý thuyết 5 vùng biến dạng khi cắt (hình 3.10). Vùng I là vùng bắt đầu phát sinh biến dạng khi cắt. Hình thành bi ến d ạng ch ủ y ếu trong vùng này là biến dạng đàn hồi. Những phần tử kim lo ại càng gần m ặt OA thì m ức độ biến dạng càng tăng. OA là giới hạn chuyển biến từ biến dạng đàn hồi sang trạng thái biến dạng dẻo (trượt).
9 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Vùng II là vùng biến dạng dẻo của vật liệu gia công. Các phần t ử kim lo ại càng g ần mặt OC được coi như dần hoàn thành biến dạng dẻo sắp sửa tách ra tr ở thành các ph ần t ử phoi. Đây là vùng biến dạng mảnh liệt nhất. Vùng III là vùng ma sát giữa mặt trước của dao với các phần tử kim lo ại phoi c ắt sau khi ra khỏi vùng biến dạng dẻo II. Do ma sát nên b ề m ặt này c ủa phoi sau khi ra kh ỏi m ặt trước dao rất nhẵn bóng. Vùng IV là vùng biến dạng và ma sát giữa mặt sau dao với các phần tử kim lo ại trên bề mặt đã gia công nằm sát mặt dao. Về biến dạng thì đây là vùng v ừa có bi ến d ạng đàn hồi, vừa có biến dạng dẻo. Vùng V là vùng của các phần tử kim loại đã hoàn thành biến dạng và tr ở thành phoi cắt. 3.3. Các thông số đặc trưng mức độ biến dạng và ma sát khi cắt. Trong phần 3.1 và 3.2 ta đã lần lượt nghiên cứu một cách định tính b ản chất c ủa quá trình cắt kim loại - đó là quá trình biến dạng và ma sát khi cắt. Để đặc trưng về mặt định lượng mức độ biến dạng và ma sát khi cắt, các nhà nghiên cứu đã lần lượt đưa ra các hệ số: 1. Hệ số co rút phoi K 2. Hệ số trượt tương đối ε . 3. Góc tách phoi β 1. 4. Hệ số ma sát µ Những hệ số này về mặt giá trị có thể được xác định bằng tính toán cũng như bằng con đường thực nghiệm. Ta sẽ lần lượt nghiên cứu các hệ số đó. 3.3.1. Hiện tượng co rút phoi và hệ số co rút phoi K 3.3.1.1. Khái niệm. Như những nhận xét ở phần 3.1. kích thước của phoi tách ra không gi ống các kích thước lớp cắt tương ứng khi nó còn nằm trên chi tiết. - Hiện tượng này gọi là hiện tượng co rút phoi. Theo kinh nghiệm thì: aF > a lF < l bF ≈ b Trong đó: a và aF là chiều dày lớp cắt và phoi lF và l là chiều dài phoi và lớp cắt. bF và b là chiều rộng phoi và lớp cắt. Theo lý thuyết kéo - nén thuận tuý trong sức bền vật li ệu thì ta g ọi t ỉ s ố kích th ước mẫu trước và sau khi nén (hoặc kéo) là hệ số co rút. ứng dụng lý thuyết đó vào hiện tượng co rút phoi ta có: Hệ số phoi rút theo chiều dày là: Ka = aF / a > 1 Hệ số co phoi rút theo chiều dài là: Kl = l/ lF > 1 Hệ số co phoi rút theo chiều rộng là: Kb = bF / b ≈ 1 Do định luật bảo toàn về thể tíc, tức là V = V F (thể tích lớp cắt bằng thể tích phoi được tách ra từ lớp cắt tương ứng), ta có:
10 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Ka = Kl = aF / a = l/lF (3.1) Đứng về quan điểm toán học thuần tuý thì rõ ràng K a = Kl = -∞ ÷ +∞ . Nhưng về quan điểm cắt gọt nếu Ka = Kl thì có nghĩa là không xảy ra quá trình biến dạng khi cắt. Điều đó hoàn toàn vô lý, bởi vì đã cắt gọt thì tất yếu xảy ra quá trình biến dạng và ma sát. Thực tế cắt gọt đã chứng minh: hệ số co rút phoi K = K a = Kl chỉ có ý nghĩa vật lý nếu K ≥ 1,5. Điều này thể hiện tính gần đúng của việc đặc trưng m ức độ bi ến d ạng và ma sát khi cắt. Các tài liệu nghiên cứu chỉ ra rằng: sai số đặc tr ưng bi ến d ạng khi c ắt c ủa h ệ s ố co rút phoi khoảng 20%[1]. Mặc dù hệ số co rút phoi K không đặc trưng hoàn toàn cho quá trình biến dạng và ma sát khi cắt, song nó có ý nghĩa cơ học ở chỗ nếu K càng l ớn t ức là m ức đ ộ bi ến d ạng càng lớn. Mặt khác việc xác định giá trị hệ số K tương đối đơn giản, do đó ở mức độ định tính người ta vẫn hay dùng hệ số K để đặc trưng cho mức độ biến dạng khi cắt. 3.3.1.2. Cách xác định giá trị hệ số K. Giá trị hệ số K thường được xác định bằng thực nghiệm hoặc thông qua việc đo trực tiếp các kích thước phoi ở lớp cắt, hoặc bằng cách cân đo trọng lượng phoi. 1. Xác định K bằng cách đo trực tiếp kích thước lớp cắt và phoi. t Phoi ®ång e D LF1 LF2 Hình 3.11 Để có lớp cắt và phoi cắt có thể đo được dễ dàng, ta chuẩn bị mẫu thí nghiệm nh ư hình 3.11. Mẫu được chuẩn bị là một trụ ngắn có đường kính D, chiều sâu cắt là t. Mẫu có kẻ 2 rãnh đối xứng có bề rộng e. Để giảm va đập khi cắt ta nhồi vào rãnh phoi đồng. Mẫu được cắt tự do. Theo hình 3.11, chiều dài trung bình của lớp cắt tính được: π (D − t) L= −e 2 LF 1 + LF 2 LF = Tương tự ta có: 2
11 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS π ( D − t ) − 2e K = K L = Ka = Theo định nghĩa ta có: (3.2) LF 1 + LF 2 2. Xác định K bằng cách cân phoi. Với phương pháp này không cần chuẩn bị mẫu. Sau khi cắt ta ti ến hành cân tr ọng lượng của phoi cắt ra. Giả thiết cân được trọng lượng là Q (G). Thể tích lớp cắt tương ứng dễ dàng tính được theo công thức: V = Q / ξ (mm3) ξ là tỉ trọng của vật liệu chi tiết gia công. (G/cm3). Thể tích lớp cắt còn có thể biểu diễn dưới dạng: V = s.t.L (mm3) s là lượng chạy dao khi cắt (mm/vg) t là chiều sâu cắt khi cắt (mm). L là chiều dài của lớp cắt (mm) Kết hợp những công thức trên, ta có: L = 1000 Q/s.t.ξ (mm) (3.3) LF ta đo được tương tự như thí nghiệm đo trên. Lúc đó ta có: 1000Q K = KL = (3.4) s.t.ξ .LF 3.3.2. Biến dạng khi cắt và hệ số trượt tương đối ε . Sức bền vật liệu đã nghiên cứu: nếu có 1 phân tố kim loại ABCD, dưới tác dụng của ngoại lực bị biến dạng trượt xô lệch tới vị trí ABC'D' (hình 3.12) thì hệ số đặc tr ưng cho biến dạng trượt thuần tuý đó là hệ số trượt tương đối ε, được viết dưới dạng: ∆x ε= ∆y aF γ ∆y ∆x D’ ∆x B ID V τ C' C D β1 C’ D' a ∆y C A B A τ Hình 3.12 Hình 3.13 Như phần 3.1 đã phân tích: thực chất quá trình cắt kim lo ại là bi ến d ạng và ma sát. Trong đó biến dạng dẻo dưới hình thức trượt khi tạo phoi được coi là đặc trưng. ứng dụng kết quả của cơ học, người ta đưa ra hệ số trượt tương đối ε khi cắt: ∆x ε= ∆y
12 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS ∆ x = DI + ID'; ∆ y = BI; DI/BI = tg (β1 - γ ); ID'/BI = cotgβ1 Vậy: ε = tg(β1 - γ ) + cotgβ1 sin( β1 − γ ) cosβ1 + = cos( β1 − γ ) sinβ1 Qui đồng mẫu số và chú ý các công thức lượng giác: sin(β1 - γ ) = sinβ1cosγ - sinγ cosβ1 cos(β1 - γ ) = sinβ1sinγ + cosβ1cosγ sin2β1 + cos2β1 = 1 ta nhận được công thức: cosγ ε= (3.5) sinβ1cos(β1 − γ ) Từ công thức (3.5) ta có nhận xét: Khi cắt nói chung góc đ ộ c ủa dao là xác đ ịnh và không đổi, trong trường đó, rõ ràng: ε = f(β1) Công tác nghiên cứu cho thấy: mặc dù hệ số trượt tương đối ε có đặc trưng một cách bản chất hơn quá trình cắt kim loại, song quá trình c ắt không thu ần tuý ch ỉ có bi ến d ạng trượt, do đó hệ số ε khi đặc trưng cho mức độ biến dạng và ma sát khi c ắt có sai s ố khoảng 4%. 3.3.3. Góc tách phoi (hoặc góc hướng trượt) β 1 Nếu như hệ số co rút phoi K được đưa ra trên cơ sở kéo, nên thuần tuý; hệ số trượt hướng đến ε được dẫn ra từ lý thuyết trượt thuần tuý, thì góc tách phoi β1 được thiết lập không kèm theo giả định nào cả. Góc tách phoi β1 được xác lập trên cơ sở mô hình cắt tự do như ở hình 3.14. Trên hình 3.14: θ là góc ma sát trên mặt trước dao. θ = arctgµ Tức là: µ là hệ số ma sát. aF γ Nθ γ R ψ V a β1 ω n m
13 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Hình 3.14 β1 + ω = ψ Từ hình 3.14 ta có: ω=θ-γ β1 = ψ - arctgµ + γ hoặc (3.6) ψ là góc đặc trưng cho loại vật liệu bị biến dạng. Sức bền vật liệu đã chứng minh được: với những loại vật li ệu thường dùng trong chế tạo máy thì ψ = 45 - 50 0 Cũng từ hình 3.14 ta có: aF a tgβ1 = , m= -n cosγ m n = a.tgγ a.cosγ tgβ1 = Vậy a F - a.sinγ Kết hợp với công thức (3.1) và rút gọn, ta có: cosγ β1 = arctg (3.7) K - sinγ 3.3.4. Hiện tượng ma sát và hệ số ma sát khi cắt. Khi cắt có 2 khu vực ma sát: 1. Khu vực ma sát giữa phoi và mặt trước dao 2. Khu vực ma sát giữa bề mặt đã gia công và mặt sau dao. Chi tiết Phoi Dao Líp bÒ mÆt ® gia c«ng ¸ Hình 3.15
14 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Trong quá trình cắt kim loại, dưới tác dụng của áp lực và ma sát gi ữa các phần t ử kim loại của phoi với lớp bề mặt đã gia cồn xuất hiện trễ. Tức là các phần tử kim lo ại của phoi, của lớp bề mặt đã gia công cách xa mặt trước và m ặt sau dao di chuyển nhanh, trong khi đó các phần tử kim loại tiếp xúc với m ặt trước dao và m ặt sau dao di chuy ển chậm lại (hình 3.15). Hiện tượng trễ gây nên cho nội bộ phoi cắt và lớp bề mặt đã gia công bi ến dạng và ứng suất cắt. Tổng lực biến dạng giữa các phần tử phoi và lớp bề m ặt đã gia công gọi là Lực nội ma sát. Thực nghiệm đã chứng minh rằng: lực ma sát trên mặt tr ước và m ặt sau dao ch ủ y ếu là do lực nội ma sát. Lực thắng lực nội ma sát đó là ứng suất cắt của bản thân vật liệu. Theo định nghĩa chung về hệ số ma sát ta có: µc = F/N F là lực ma sát. N là lực ép pháp tuyến. F = τc.A Trong đó: N = σ.A τc và σc là ứng suất cắt và ứng suất nén trung bình của lớp phoi sát m ặt tr ước dao và lớp bề mặt đã gia công. A là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa phoi và mặt trước dao (hoặc giữa bề mặt đã gia công và mặt sau dao) Từ đó, ta có: τc µc = (3.8) σc Kết quả của thực nghiệm cho thấy: τc và σc không phải là những hằng số mà là những số thay đổi theo những điều kiện cắt gọt, trong đó trong cùng m ột thay đ ổi v ề đi ều kiện cắt thì sự thay đổi giá trị σc lớn hơn τc. Chính sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi của µc. Nói chung hệ số ngoại ma sát giữa 2 vật liệu tiếp xúc có chuyển động tương đối với nhau là một hằng số. Trái lại hệ số nội ma sát gi ữa các vật li ệu ti ếp xúc có chuy ển đ ộng tương đối với nhau là số thay đổi phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên hệ. Nghiên cứu bản chất của quá trình cắt là phát hiện các qui lu ật phát sinh ra trong quá trình cắt. Trên cơ sở đó đi tìm hiểu tới các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình c ắt gọt, nhằm mục đích điều khiển các qui luật đó theo hướng có lợi cho con người. Trên cơ sở hàng loạt các thí nghiệm, người ta đã tìm ra các yếu tố ảnh h ưởng chính đến biến dạng và ma sát khi cắt là: 1. Tính chất của vật liệu chi tiết gia công. 2. Chế độ cắt. 3. Các thông số hình học của dao. Qui luật ảnh hưởng của các yếu tố trên đến các hệ số đặc trưng biến dạng và ma sát khi cắt có thể đc kết ở bảng 3.1. Bảng 3.1
15 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT C 3 BD MS Vật Yếu tố Dung ảnh liệu dịch Chế độ cắt Thông số hình học dao hưởng trơn chi tiết nguội σB γ ϕ t s v Lit/ph r Kµβi K µc βi