Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến quá trình tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khi tiện cứng và đặc điểm quá trình tiện cứng, nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của bán kính mũi dao tới nhám bề mặt, lực cắt khi sử dụng dụng cụ PCBN tiện tinh thép ổ lăn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến quá trình tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN TRUNG SƠN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MŨI DAO ĐẾN QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG THÉP Ổ LĂN BẰNG DỤNG CỤ PCBN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2018 i
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Trần Trung Sơn Học viên: Lớp Cao học K16 Đơn vị công tác: Trường Trung cấp nghề Hà Tĩnh Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến quá trình tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN” Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác. Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong Luận văn./. HỌC VIÊN Trần Trung Sơn ii
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, em đã được các thầy cô giáo trong trường tạo điều kiện, chỉ bảo, giúp đỡ tận tình để truyền đạt các kiến thức chuyên môn. Để hoàn thành được Luận văn này, trước hết em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành tới TS Nguyễn Thị Quốc Dung, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Phòng Đào tạo, Trung tâm thực nghiệm - Khoa Cơ khí cùng các thầy trong Bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn này. Em cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu trường Trung cấp nghề Hà Tĩnh nơi em đang công tác, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian qua. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không thể tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp để bản thân em cũng như Luận văn được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! HỌC VIÊN Trần Trung Sơn iii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU PCBN: Nitrit Bo lập phương đa tinh thể CBN: Nitrit Bo lập phương BN: Nitrit Bo a: chiều dày lớp kim loại bị cắt ap: chiều dày phoi Kf: mức độ biến dạng của phoi Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao  : góc trượt r: bán kính mũi dao  (hay  n) : góc trước của dao Fz (hay Fc): lực tiếp tuyến khi tiện Fy (hay Fp): lực hướng kính khi tiện Fx: lực chiều trục khi tiện S: lượng chạy dao (mm/vòng) t: chiều sâu cắt (mm) V: vận tốc cắt (m/phút) KAB: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất As: diện tích của mặt phẳng cắt Vs: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt ρ: tỷ trọng của vật liệu Ф: góc tạo phoi γm: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước Kc, Kt: các hệ số thực nghiệm φ: góc nghiêng chính φ1: góc nghiêng phụ Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện iv
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ....................................................................... iv MỤC LỤC ................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................... ix PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 1. Giới thiệu về tiện cứng ............................................................................................ 1 2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 2 3. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 2 4. Dự định kết quả ....................................................................................................... 3 CHƯƠNG I: BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG .................... 4 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 ...................................................... 10 1.2. Lực cắt khi tiện ................................................................................................... 13 1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt ...................................................... 13 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện ....................................................... 17 1.2.2.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt ............................................................................ 17 1.2.2.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt ......................................... 18 1.2.2.3. Ảnh hưởng của vật liệu gia công ................................................................. 18 1.2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng .. 19 1.2.2.5. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r. ............................................................ 21 1.2.2.6. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt ................................................................. 22 1.3 Nhám bề mặt ....................................................................................................... 22 1.3.1 Bản chất của lớp bề mặt ................................................................................... 23 1.3.2. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt ...................................................................... 24 1.3.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng ............................ 26 1.3.3.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt ............................... 26 1.3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt ............................................................................ 27 1.3.3.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao ................................................................... 28 v
1.3.3.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt ....................................................................... 29 1.3.3.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công ................................................................. 29 1.3.3.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ .................................. 30 1.4. Kết luận .............................................................................................................. 30 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ..................................... 31 2.1. Mục đích thí nghiệm ..........................................................................................31 2.2. Thiết bị thực hiện thí nghiệm .............................................................................31 2.2.1. Máy thí nghiệm ...............................................................................................31 2.2.2. Phôi thí nghiệm ...............................................................................................32 Hình 2.2. Hình ảnh các phôi thí nghiệm ...................................................................32 2.2.3. Các dụng cụ đo kiểm .......................................................................................33 2.2.4. Dụng cụ cắt. ....................................................................................................34 2.2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm. ...................................................................................35 2.2.6. Cơ sở lý thuyết của mô hình thí nghiệm .........................................................35 2.3. Tiến trình thí nghiệm ..........................................................................................39 2.4. Kết luận .............................................................................................................. 39 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 40 3.1. Kết quả đo thực nghiệm .....................................................................................40 3.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ...........................................................................41 3.2.1. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến Ra ..................................................41 3.2.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực dọc trục Fx ...............................................44 3.3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực hướng kính Fy .........................................46 3.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực tiếp tuyến Fz ............................................49 3.3.5. Tối ưu hóa đa mục tiêu....................................................................................53 3.3.5.1. Các bước tối ưu hóa sử dụng phân tích quan hệ xám (Grey Relational Analysis – GRA). ........................................................................................53 3.3.5.2. Thực hiện các bước của lý thuyết. ............................................................... 56 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ................................................... 63 4.1. Kết luận chung ...................................................................................................63 vi
4.2. Khuyến cáo......................................................................................................... 63 4.3. Ý nghĩa khoa học ............................................................................................... 64 4.4. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................ 64 4.5. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài ..............................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 65 vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của máy .................................................................31 Bảng 2.2: Thành phần hóa học các nguyên tố. .........................................................33 Bảng 2.3: Chế độ nhiệt luyện. ...................................................................................33 Bảng 2.4. Sơ đồ thí nghiệm theo thiết kế Taguchi L9 ..............................................38 Bảng 3.1. Kết quả độ nhám Ra, Fx, Fy, Fz và tỉ số SN của chỉ tiêu. .................... 40 Bảng 3.2. ANOVA trị số Ra ....................................................................................41 Bảng 3.3. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám trung bình ..................42 Bảng 3.4. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Ra .........................43 Bảng 3.5. ANOVA trị số Fx ....................................................................................44 Bảng 3.6. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực dọc trục trung bình .............44 Bảng 3.7. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fx........................45 Bảng 3.8. ANOVA trị số Fy ....................................................................................46 Bảng 3.9. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực cắt hướng kính trung bình Fy .....47 Bảng 3.10. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fy......................48 Bảng 3.11. ANOVA trị số Fz ..................................................................................49 Bảng 3.12. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực tiếp tuyến trung bình Fz ..........50 Bảng 3.13. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fz ......................51 Bảng 3.14. Trị số S/N và giá trị chuẩn hóa Zij của SN. ............................................56 Bảng 3.15. Độ sai lệch j(k) của dãy tham chiếu. ..................................................57 Bảng 3.16. Trị số quan hệ xám ứng với các thông số đầu ra và trị số quan hệ xám trung bình. .................................................................................................................58 Bảng 3.17: Hệ số quan hệ GRA 0i (k) .....................................................................59 Bảng 3.18. ANOVA trị số quan hệ xám ...................................................................60 Bảng 3.19. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ xám. ...............60 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi ....................................................................................4 Hình 1.2: Miền tạo phoi ..............................................................................................6 Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau .............................................7 Hình 1.4: Tính góc trượt  ..........................................................................................8 Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi.........................................9 Hình 1.6. Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi ..........................10 Hình 1.7. Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 .................................11 Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi ............................13 Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện ...........................................................................14 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 ..............................................15 Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt ....................................................17 Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao TDGN160304S2501, TDGN160308S1501. ...................................................................................20 Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt .........................................21 Hình 1.14. Chi tiết bề mặt vật rắn ............................................................................24 Hình 1.15. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề mặt ......27 Hình 1.16 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép................27 Hình 1.17. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt ..............................29 Hình 2.1. Máy tiện CS-460x1000G ..........................................................................32 Hình 2.2. Hình ảnh các phôi thí nghiệm ...................................................................32 Hình 2.3. Đầu đo lực Kistler 9257BA.......................................................................33 Hình 2.4. Máy đo độ nhám SJ-201 của hãng Mitutoyo – Nhật Bản. ........................34 Hình 2.5. Mảnh dao tiện PCBN ................................................................................34 Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm. .............................................................................35 Hình 3.1. Thiết kế thí nghiệm Taguchi. ....................................................................40 ix
Hình 3.2. Ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám trung bình. .............................42 Hình 3.3. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Ra ....................................43 Hình 3.4. Ảnh hưởng của các thông số đến Fx trung bình. ......................................44 Hình 3.5. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fx ....................................46 Hình 3.6. Ảnh hưởng của các thông số đến Fy trung bình. ......................................47 Hình 3.7. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fy ....................................49 Hình 3.8. Ảnh hưởng của các thông số đến Fz trung bình........................................50 Hình 3.9. Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fz .....................................52 Hình 3.10. Hệ số quan hệ GRA theo thứ tự thí nghiệm ............................................59 Hình 3.11. Ảnh hưởng của các thông số đến trị số quan hệ GRA trung bình. ........61 x
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu về tiện cứng Theo sự phát triển của lĩnh vực vật liệu mới trong khoảng mười năm trở lại đây, vật liệu thường sử dụng làm dao tiện cứng là CBN (Cubic nitrit Bo), có thể làm tăng độ chính xác trong tiện cứng, với độ cứng của phôi vào khoảng 40 - 65 HRC. So sánh với quá trình mài, ưu thế trong tiện cứng cho ta thấy: thời gian quay vòng ngắn, quá trình gia công linh hoạt, tuổi thọ làm việc cao, chi phí đầu tư thấp, thân thiện với môi trường. Ngày nay, với sự ra đời của các loại dụng cụ cắt siêu cứng CBN, các ứng dụng của công nghệ tiện cứng đã tăng lên rõ rệt trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp chế tạo ô tô, ổ lăn, các thiết bị thủy lực, bánh răng, cam, trục và các chi tiết cơ khí khác. Trong tiện cứng chính xác, một điều quan trọng được xét đến đó là hạn chế tối đa sự mài mòn dụng cụ cắt nhằm duy trì độ chính xác hình dạng và bề mặt cho sản phẩm, hạn chế thời gian thay dụng cụ cắt tránh sai số. Sự mài mòn dụng cụ không chỉ làm giảm trực tiếp độ chính xác hình học mà còn tăng đáng kể lực khi cắt, tăng nhám bề mặt. Sự thay đổi lực cắt cũng là nguyên nhân làm cho dụng cụ chuyển động không ổn định, làm dẫn đến giảm độ chính xác. Mặt khác, bán kính mũi của dụng cụ cũng quan trọng trong việc xác định độ nhám của bề mặt, lực gia công. Dụng cụ với bán kính mũi lớn sẽ cho bề mặt nhẵn hơn thông thường. Khi đó, bán kính mũi dụng cụ đóng vai trò quan trọng việc quyết định hình dạng mặt cắt ngang kết hợp với độ sâu cắt và tốc độ dẫn tiến. Do đó, bán kính mũi liên quan rất chặt chẽ đến chất lượng bề mặt. Có thể xem xét rằng bán kính mũi dụng cụ đóng vai trò quan trọng không chỉ trong việc xác định độ nhám bề mặt mà còn trong biến dạng chảy dẻo nhiệt của phôi trong quá trình tiện cứng. Hiện nay, dụng cụ cắt CBN khá đắt, do đó, nhằm đảm bảo hiệu suất làm việc đủ cao với giá thành thấp, tối ưu hóa hình dạng dụng cụ cắt là cần thiết. Với việc sử dụng ngày càng phổ biến của các loại thép hợp kim có độ bền và độ cứng cao trong ngành cơ khí chế tạo, cùng với sự ra đời và phát 1
triển của các loại dụng cụ cắt siêu cứng và các máy gia công tự động, công nghệ tiện cứng đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt. Việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công lần cuối các chi tiết mang lại những lợi ích sau: - Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm - Giảm chi phí đầu tư thiết bị. - Tăng độ chính xác. - Đạt độ bóng bề mặt cao. - Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 – 4 lần so với mài), nâng cao năng suất gia công. - Gia công được các bề mặt phức tạp - Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá. - Có thể chọn gia công có hoặc không có dung dịch trơn nguội. Gia công khô giảm được chi phí cho dung dịch trơn nguội và không thải chất thải ra môi trường. Trên cơ sở phân tích trên, tác giả chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MŨI DAO ĐẾN QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG THÉP Ổ LĂN BẰNG DỤNG CỤ PCBN” 2. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khi tiện cứng và đặc điểm quá trình tiện cứng. - Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của bán kính mũi dao tới nhám bề mặt, lực cắt khi sử dụng dụng cụ PCBN tiện tinh thép ổ lăn. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến tiện cứng từ đó rút ra vấn đề định hướng cho nghiên cứu về nhám bề mặt, lực cắt. Tiến hành các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm sử dụng mảnh dao PCBN tiện tinh thép ổ lăn để xác định nhám bề mặt, lực cắt và mòn dụng cụ khi sử dụng dao có bán kính mũi khác nhau. 2
4. Dự định kết quả Phát hiện quy luật ảnh hưởng của bán kính mũi dao tới lực cắt, nhám bề mặt trong quá trình tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN. Xây dựng mô hình về mối quan hệ giữa nhám bề mặt, lực cắt và bán kính mũi dao. 3
CHƯƠNG I BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG 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, lực cắt, độ mòn của dụng cụ, chất lượng bề mặt 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 công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu. Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động: - Chuyển động cắt chính (Chuyển động làm việc): Với tiện đó là chuyện động quay tròn của phôi. - Chuyển động chạy dao: Đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo phoi liên tục trong suốt quá trình cắt. Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của dao khi tiện mặt trụ 6. Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công. Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp kim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy (hình1.1). a. b. Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi 4
Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động bao gồm: - Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao được giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi. Dưới tác dụng của lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo. Khi ứng suất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện hiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE). Trong quá trình cắt, vùng phoi một luôn di chuyển cùng với dao. - Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao. - Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt sau của dao. - Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi 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 diễn 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. 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 ap được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao. Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi biến thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng. Khu vực này được gọi là miền tạo phoi (Hình 1.2). 5
Hình 1.2: Miền tạo phoi Trong miền này (như sơ đồ hoá hình 1.1) có những mặt trượt OA, OB, OC, OD, OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt có ứng suất tiếp có giá trị cực đại). Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh những biến dạng dẻo đầu tiên, đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi. Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao. Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi, khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt trước của dao. Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hình 1.1) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên. Mức độ biến dạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài ra theo một hướng nhất định, tạo thành tua. Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều. Mức độ biến dạng của phoi: Kf = Kbd + Kms (1 –1) Ở đây: Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi Kms là mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao. 6
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 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 một góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so với trước (a’1 < a1) vì biến dạng dẻo giảm đi. Khi vận tốc cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng của nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến dạng của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF. Do đó để cho đơn giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động của dao một góc bằng . Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc  gọi là góc trượt. 7
Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng dẻo trong miền tạo phoi. Hình 1.4: Tính góc trượt  Theo hình vẽ 1.4 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của phoi là a1 ta có : a OC . sin  sin  r   (1-2) a1 OC . cos(   ) cos(   ) Do đó có thể tính  theo công thức : r. cos  tg  (1-3) 1  r. sin  1 Nếu đặt K  thì ta có công thức sau : r cos tg  (1-4) K  sin  Như vậy góc trượt  phụ thuộc vào  và tỉ số K. Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thay đổi so với kích thước của lớp kim loại sinh ra nó. Đại lượng K đặc trưng cho sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn. Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó công tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao. Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5. 8
K V1 V3 3 2 V2 0 20 40 60 80 Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi Khi Vc tăng từ V1 đến V2 biến dạng của phoi giảm Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng µ tăng do đó lực 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 biến dạng của phoi giảm và đạt giá trị cực tiểu tại B ứng với Vc = V2 (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 Vc tăng từ V2 ÷ V3 biến dạng của phoi tăng. Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Khi Vc tăng, hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh hưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng biến dạng của phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn). Khi Vc > V3: lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rất cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi và mặt trước giảm, K giảm. Khi Vc > 200 ÷ 300 m/f hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng của phoi hầu như không thay đổi. Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao, phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt. 9
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 thẳng góc với lưỡi cắt) làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6. Hình 1.6. Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi 1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng Trong tiện cứng, quá trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất phức tạp, chủ yếu do độ cứng của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháp tốt nhất vẫn là sử dụng mảnh dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt… đặc biệt cao. Tiêu biểu cho nhóm này là các mảnh CBN, PCBN … Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạo phoi lý thuyết khi gia công thép tôi. - Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn đến sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi. - Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳ trên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt. Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép 100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt. Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt giảm khi tăng độ cứng trong dải này. Điều này được giải thích là khi độ cứng của vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm 10