CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH CẮT KIM LOẠI
1- Nguồn gốc sinh lực và các thành
Xét trên mặt trước của dao chịu tác dụng của lực QT, lực QT là tổng hợp lực pháp tuyến NT và lực ma sát của phoi lên mặt trước FT, có nghĩa là
T T
T N F
Q = +
Xét tại mặt sau của dao gần lưỡi cắt chịu tác dụng của lực pháp tuyến NS và lực ma sát mặt sau FS.
S S
S N F
Q = +
Trong quá trình cắt, dưới tác dụng của dao kim loại gia công bị biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Cùng một lúc khi biến dạng lớp cắt, dao chịu tác dụng lên mặt trước và mặt sau các lực tương ứng.
Tổng hợp tất cả các lực tác động lên dao, xác định được lực cản cắt gọt (gọi tắt là lực cắt) - đó chính là sự thể hiện quá trình chống lại của kim loại khi bị phá hủy (khi tạo phoi).
R- hợp lực của tất cả các lực QT, QS.
Hình 3.1 Các thành phần lực cắt khi tiện
Do ảnh hưởng của các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt nên trị số và phương của lực cắt R luôn luôn thay đổi.
Để thuận tiện cho nghiên cứu, ta thiết lập một hệ toạ độ Đềcác và phân lực P thành
3 lực theo 3 phương x,y,z.
Trong đó:
Px _ Lực chiều trục, tác dụng
lên cơ cấu chạy dao (còn gọi là lực chạy dao).
Py _ Lực hướng kính, gây võng chi tiết gia công, gây rung động trong mặt phẳng ngang xOy. Lực PY có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác hình dáng hình học và chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
Pz _ Lực tiếp tuyến có phương trùng với phương của chuyển động cắt chính. Nó có trị số lớn nhất trong 3 thành phần lực phân tích, còn gọi là lực cắt chính.
Lực PZ dùng để tính hoặc kiểm nghiệm về công suất cắt (mômen), tính hoặc kiểm nghiệm sức bền thân dao.
Trong điều kiện gia công tiện bình thường với dao có mũi được gá ngang tâm (với S
< t ; ϕ = γ =150 ; λ =0). Ta có:
PZ : PY : PX = 1 : 0.4 : 0.25
2.Các yếu tố ảnh h ởng đến lực cắt.
a) Chế độ cắt + Chiều sâu cắt
Từ công thức : F = S. t nên khi tăng t, diện tích lớp cắt cũng tăng, thể tích lớp kim loại bị biến dạng càng lớn, sự cản trở của kim loại đến quá trình tạo phoi lớn hơn. Do đó khi tăng t thì Px, Py, Pz hầu nh tăng tỷ lệ với nó.
+ Lợng chạy dao
khi tăng S thì chiều dày cắt a cũng tăng, diện tích tiết diện ngang của lớp cắt (Fc) tăng, lực biến dạng và lực ma sát đều tăng nên lực cắt cũng tăng.
Mặt khác : khi tăng chiều dày cắt, hệ số co rút phoi (đặc trng cho mức độ biến dạng của lớp cắt) giảm, lực cắt giảm.
Tổng hợp cả hai yếu tố trên: khi tăng S thì lực cắt cũng tăng, nhng mức độ tăng của lực cắt theo S nhỏ hơn độ tăng của nó theo t.
+ Tốc độ cắt Vc
z z
y
x P P P
P
P= 2 + 2 + 2 =1,11
O
PX
PY
PZ
P
n
Hình 3.2 Ba thành phần lực
cơ bản khi tiện
Ta thÊy :
- Khi bắt đầu cắt với tốc độ Vc > 3ữ5 m/phút thì lực cắt giảm.
- Khi cắt với tốc độ Vc = 20ữ25 m/phút, lực cắt giảm đến trị số cực tiểu, sau đó lại tiết tục tăng và đạt trị số cực đại.
- Khi cắt với tốc độ Vc > 50 m/phút, lực cắt lại tiếp tục giảm
- Khi cắt với tốc độ 400 đến 500 m/ phút, quá trình cắt ổn định, giá trị của các thành phần lực cắt không thay đổi nhiều.
Tất cả các điều trên đợc giảI thịch nh sau:
Lực cắt (khi cắt với Vc = 3ữ5 m/phút ) đợc giảm đi bởi vì quá trình tạo phoi đợc bắt đầu với góc cắt thực tế δ1 (do lẹo dao) nhỏ hơn góc cắt δ (do mài sắc và gá đặt). Trị số nhỏ nhất của lực cắt ứng với vùng tốc độ cắt hình thành lẹo dao lớn nhất.
Tiếp tục tăng Vc lên nữa, lẹo dao giảm đi, góc δ1tăng, và gần bằng trị số δ của dao làm biến dạng tăng, lực cắt cũng tăng theo. Khi tiếp tục tăng tốc độ cắt, lúc đầu do hệ số ma sát à giữa mặt trớc của dao và phoi tăng, làm cản trở quá trình biến dạng và thoát phoi, gây ra sự tăng của lực cắt. Sau đó hệ số ma sát giảm đi làm giảm những cản trở cho quá trình biến dạng và thoát phoi, lực cắt giảm.
Khi hệ số à ổn định ở tốc độ cắt 400-500 m/Phút thì lực cắt cũng ổng định nh vậy.
b) Thông số hình học của dao.
+ Gãc tríc γ
ảnh hởng nhiều đến lực cắt. Khi tăng góc trớc, hệ số co rút phoi giảm, lực cắt giảm.
Góc trớc tăng không những làm chop hoi dễ biến dạng mà còn làm chop hoi dễ tr- ợt, dễ thoát ra ngoài.
Góc trớc tăng, lực cắt giảm vào vì γ = 900-δ , nên có thể biểu diễn ảnh hởng của góc trớc đến lực cắt qua góc δ . Hình 3.19 cho thấy mối quan hệ giữa góc δ , Pz bằng thực nghiệm, có công thức :
Pz = 59,3. δ 0,34 (N) Py = 0,072. δ 2,25 (N) Px = 0,0028. δ 2,96 (N) + Gãc sau α
Trong quá trình gia công bằng cắt gọt, lớp kim loại trên bề mặt đã gia công bị biến dạng, khi dao đi qua, nó đàn hồi trở lại và do đó tạo thành sự tiếp xúc giữa mặt sau của dao và bề mặt đã gia công.
Nh vậy : Nếu tăng góc sau α diện tích tiếp xúc giảm và các thành phần lực cắt Pts , Pds
cũng nh lực ma sát T2 giảm dẫn đến lực cắt Pz , Py , Px giảm.
Thực nghiệm cho thấy rằng: khi tăng góc sau α từ 20 ữ100 thì Pz giảm 6%, Py
giảm 17%, Px giảm 12,5%. Khi tăng góc sau lên quá 100, ảnh hởng của nó đến lực cắt là rÊt Ýt.
* Khi r = 0, từ công thức: a = S.sinϕ, khi tăng ϕ làm chiều dày cắt a tăng, lực cắt Pz giảm (xem hình 3.20) còn Py giảm và Px tăng.
* Khi r ≠0, góc ϕ tăng (300 ữ 600) chiều dày cắt tăng, hệ số co rút phoi K giảm, lực cắt Pz giảm.
Tiếp tục tăng ϕ đến phạm vi 600 ữ 900, lúc này chiều dài phần cong của lỡi dao tham gia cắt tăng, phoi ngoài chịu biến dạng phụ trên mặt trớc còn chịu biến dạng do chèn ép lẫn nhau khi thoát ra ngoài, hệ số co rút phoi tăng, lực Pz tăng
Từ công thức:
Px = Pn . sin ϕ Py = Pn . cosϕ
Nên khi tăng ϕ, cosϕ giảm và sinϕ tăng, dẫn đến Py giảm, Px tăng. Đây chính là một trong những biện pháp để giảm rung động khi gia công những chi tiết có tỷ số L/P lín.
+ Bán kính mũi dao r
Bán kính mũi dao càng lớn, chiều dài phần cong của lỡi cắt tham gia càng lớn, biến dạng tăng lên làm cho lực Pz và Py tăng, còn Px giảm (vì khi tăng r , trung tâm áp lực của phoi đặt lên dao dịch nhiều về phía phần lỡi cắt cong, lúc này hợp lực Pn = Px + Py có ph-
ơng khong còn pháp tuyến với phần lỡi cắt thẳng mà có thể coi nh pháp tuyến với phần lỡi cắt cong. Nh vậy: góc nghiêng của lỡi cắt cong hay góc hợp bởi giữa Pn và phơng vuông góc với đờng tâm chi tiết giảm đi, nên Px = Pn . sinϕ giảm
+ Gãc n©ng λ
Khi góc λ thay đổi từ -50 ữ +50 có ảnh hởng, nhng không đáng kể đến lực cắt đặc biệt là Px , Py .
c) Vật liệu làm dao.
ảnh hởng đến lực cắt là do sự thay đổi của hệ số ma sát giữa vật liệu làm dao với vật liệu gia công. Khi hệ số ma sát thay đổi, làm thay đổi lực ma sát dẫn đến lực cắt thay
đổi.
ThÝ dô:
- Dao gắn mảnh hợp kim cững nhóm TK, lực cắt chỉ bằng 90ữ95%
lực cắt khi dùng dao thép gió.
- Dao gắn mảnh sứ thì Pc = 88-90% Pc khi dùng dao thép gió
- Dao gắn mảnh En-bo, lực cắt giảm mạnh nhất so với tất cả vật liệu làm dao khác.
d) Vật liệu gia công.
Những tính chất cơ lý của kim loại gia công và thành phần của nó trong nhiều tr- ờng hợp xác định quá trình tạo phoi và mức độ biến dạng của nó, và do đó ảnh hởng đến lực cắt.
Giới hạn bền khi kéo-nén với thép, độ cứng HB với gang càng lớn thì lực Pz , Py , Px
càng lớn
e) Sự mòn của dao.
Khi tăng lợng mòn theo mặt sau hs , diện tích tiếp xúc của bề mặt sau dao với bề mặt đã gia công tăng, dẫn đến tăng lực ma sát và tơng ứng sẽ tăng lực cắt. Đặc biệt lực Py , Pz tăng mạnh mẽ.
f) Dung dịch trơn nguội.
Không chỉ ảnh hởng đến việc hạ thấp nhiệt độ phát sinh trong quá trình cắt, mà còn giảm ma sát, bảo đảm quá trình tạo phoi dễ dàng hơn, do đó lực cắt giảm
Hệ số Kd giảm lực cắt phụ thuộc vào loại DDTN nh sau:
- 0,7 víi dÇu thùc vËt - 0,8 với dầu vô cơ lu hóa
- 0,85 với dầu ê-mun-xi hoạt tính - 0.95 với dầu ê-mun-xi
- 0,97 víi níc
* Một số tính toán liên quan đến các thành phần lực cắt.
+ Công suất khi tiện :
_ Công suất cắt :
_ Công suất chạy dao:
Công suất cần thiết để chọn động cơ cho máy gia công :
+ Mômen cắt của trục chính máy tiện :
+ Độ võng của chi tiết gia công khi tiện. (chi tiết được coi như một dầm chịu lực tập
( KW )
S n Ndc Px ,
10 . 60
. .
= 6
η cd
c dc
N N = N +
[ ] M Nmm
P D
Mc z x,
2 ≤
=
[ ] Y ( mm )
KEI l
y Py. 3 ,
≤
=
(KW)
V
NC PZ ,
1000 .
60
= .
Trong các công thức trên:
PX, PY, PZ _ tính bằng N;
V – Vận tốc chuyển động chính (m/ph);
N _ Số vòng quay trục chính máy (vg/ph);
S _ Lượng chạy dao (mm/vg);
η _ Hiệu suất các khâu truyền động trong máy tính từ động cơ;
D _ đường kính chi tiết gia công (mm);
[M]x _ Mômen xoắn cho phép trên trục chính (Nmm);
l _ Chiều dài chi tiết gia công (mm);
I _ Mômen quán tính tiết diện chính của chi tiết gia công (mm4);
E _ Môđun đàn hồi vật liệu gia công (N/mm2);
K _ Hệ số phụ thuộc dạng liên kết ;
[y] _ độ võng cho phép của chi tiết (mm).
3.1.2 Trình tự xác định chế độ cắt 1. Xác định chiều sâu khi cắt:
Khi giá công thô sơ nên cho t=h(lợng d gia công).Tuy nhiên khi h quá lớn hoặc khi gia côn g trên các máy có công suất nhỏ phai chia nhiều lần cắt, để cắt hết lợng d
Khi gia công bán kính (tính độ nhẵn từ 12.5 −>3.2 và cấp chính xác 8,9) thì
- Khi h>2mm t1 =2/3->3/4h ; t2 =1/3->1/4h - Khi h<2mm chỉ cắt một lần hết lợng d, thờng lấy
t=0.5-2mm
Khi gia công ti nh : t=0.1-0.4mm 2. Xác định l ợng chạy dao:
Lợng chạy dao s phụ thuộc vào điều kiện gia công:
-Khi gia công thô :phụ thuộc độ bền thân dao, độ bền mảnh dao và cơ cấu chạy dao,độ c- ngd vững cuả chi tiết gia công.
-Khi gia công tinh:phụ thuộc vào độ nhẵn và cấp chính xác của bề mặt cần gia công,độ cứng vững của nó.
* .Theo độ bền thân dao:
khi cắt dao chịu một momen uốn có:
Mn=Pz.L
Trong đó Pn-Lực cắt chính [N]
L-Khoảng cách từ mũi dao đến mép của đàI gá dao(mm) Để đảm bảo độ uốn cho thân dao, phảI có:
Mn ≤ [Mn]
Mn -Mômen uốn cho phép thân dao
[ Mn]=[σn].W
σn -ứng suất uốn cho phép(N/mm2) W-mômen chốn uốn (mm3)
Víi th©n dao h×nh ch÷ nhËt : W=BH2 /6 Vớ thân dao hình tròn :W=pi.D3/32.
Từ trên suy ra:
Pn.L≤W.[σn] Hay:
Cpt.t.Sxpz.Kypz.L≤ W. [σn]
Nên S1≤ ypz [ ]
xpz pz
u
L K t C
W . . .
.
¦ σ
( 3.1)
* Theo độ bền của cơ cấu chạy dao.
Trong các máy công cụ,thờng cho |Pm| - Lực | chiều trục | tác dụng lên cơ cấu bánh răng – thanh răng (cơ cấu yếu nhất của hộp dao chạy).
Nên có:
Px+à(Py+Pz) ≤ [Px m]
Với à-hệ số ma sát,thờng lấy 0,1=à Gần đúng: Pz=2Py; Pz=3Px
Suy ra: Px+0,1(1,5 Px+3 Px) ≤ [Pm]
→1,45Px≤ [Pm]
Hay: 1,45 Cpx.txpz.Sypx.Kpx≤ [Pm] Do đó: S2≤ ypx [ ]
px xpx px
m
K t C
P . . 45 ,
1 ( 3.2) * Theo độ cứng vững của chi tiết gia công.
Khi gia công các chi tiết có tỷ số I/D lớn, nó thờng bị cong.
Sai số của chi tiết bị gây ra dới tác dụng của hai thành phần Pz, Py của lực cắt.Nhng chủ yếu thành phần Py gây uốn chi tiết theo phơng tác dụng của nó, còn pz ít ảnh hởng đến sự thay đổi kích thớc chi tiết gia công
Độ võng f do Py gây ra đợc tính:
Py.L3 f=