CHƯƠNG 2 NHỮNG CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT
2. Phân bố nhiệt cắt
Để điều khiển tác động của nhiệt cắt nhằm giảm tác động xấu. Căn cứ vào quy luật truyền nhiệt có: Q= Qf + Qct +Qd + Qmt
Tông nhiệt lợng phát sinh trong vùng cắt đợc truyền vào phoi, chi tiết, dao và môi trờng.
Qf –nhiệt lợng truyền vào phoi (khoảng 50 % - 80%).
Qct –nhiệt lợng truyền vào chi tiết (3% - 10%) Qd – nhiệt lợng truyền vào dao (10 % - 40% ) Qmt – nhiệt lợng truyền vào môi trờng (1% -5%)
Thực tế: nhiệt lợng do biến dạng ở vùng tạo phoi cơ bản là làm nóng phoi. Phần nhỏ hơn truyền vào mặt trớc của dao. Mặt trớc của dao bị nung nóng đến nhiệt độ cao còn do ma sát giữa nó với phoi.
Ma sát ở mặt sau của dao với bề mặt đã gia công sinh nhiệt. Nhiệt lợng này truyền vào dao và chi tiết nhiều hay ít phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của chúng.
Nhiệt lợng truyền vào môi trờng lớn làm giảm nhiệt độ vùng cắt. Do đó dung dịch trơn nguội vừa làm giảm ma sát, giảm lợng nhiệt phát sinh và dẫn nhiệt ra khỏi vùng cắt làm giảm nhiệt độ vùng cắt.
2.2.2. Các nhõn tố ảnh hởng đến nhiệt cắt
Do nhiệt sinh ra là biến số phụ thuộc, do đó nếu sử dụng các định luật của nhiệt học và sự truyền nhiệt để tính toán nhiệt độ của dao, phoi... thì rất phức tạp. Vì thế mà trong kỹ thuật thường dùng các biện pháp thực nghiệm. Dưới đây giới thiệu một cách định tính kết quả nghiên cứu thực nghiệm đối với một số nhân tố chủ yếu.
a) Ảnh hưởng của chế độ cắt (v, s, t)
• Khi tăng tốc độ cắt, nhiệt sinh ra do biến dạng giảm, nhưng nhiệt sinh ra do ma sát tăng. Kết quả là nhiệt độ tăng, song tăng với mức độ chậm hơn so với sự tăng tốc của tốc độ cắt (h.2.4).
Hình 2.4. Quan hệ v và to của các vật liệu
khác nhau: 1)- Thép austenite mangan; 2)- Thép cacbon; 3)- Gang; 4)- Nhôm
Hình 2.5. Ảnh hưởng của chiều dày cắt a đến nhiệt cắt: v1 = 50 m/ph; v2 = 100 m/ph; v3 = 200 m/ph
Khi đạt được tốc độ nhất định thì nhiệt cắt đạt giá trị cực đại, tăng tiếp tốc độ thì nhiệt cắt hầu như không tăng nữa. Nhiệt độ cắt trong vùng này bằng nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công dẫn đến hiện tượng khuếch tán lẫn nhau giữa hai loại vật liệu của dụng cụ và chi tiết. Nhiệt cắt phần lớn truyền vào phoi, nên trong những năm gần đây với những phát triển của công nghệ vật liệu làm dụng cụ người ta thường dùng cắt cao tốc để tăng năng suất và giảm chi phí gia công cơ.
• Khi tăng lượng chạy dao s thì áp lực của phoi lên dao tăng, công ma sát trên mặt trước tăng. Mặt khác do tăng lượng chạy dao mà chiều dày cắt a tăng, nên điều kiện truyền tốt hơn, diện tích giữa dao và phoi được mở rộng. Kết quả là nhiệt độ tăng nhưng không tăng theo tỉ lệ thuận (h.2.5).
• Chiều sâu cắt t ảnh hưởng đến nhiệt độ cắt ít hơn so với lượng chạy dao s. Khi tăng chiều sâu cắt t (chiều rộng cắt b), một mặt tải trọng trên một đơn vị chiều dài lưỡi cắt không đổi, mặt khác do góc nghiêng chính ϕ không đổi, nên chiều dài của phần làm việc của lưỡi cắt tăng, tạo điều kiện truyền nhiệt tốt hơn. Kết quả là nhiệt độ tăng ít.
b) Ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt.
Khi giảm góc nghiêng chính φ, tải trọng cắt tăng lên một ít, lẽ ra nhiệt cắt tăng, nhưng do giảm φ mà chiều dài phần làm việc của lưỡi cắt tăng lên, góc mũi dao ε cũng được mở rộng ra, tạo điều kiện truyền nhiệt tốt. Kết quả khi giảm φ thì nhiệt độ giảm (h.2.6).
Hình 2.6 Ảnh hưởng của góc nghiêng ϕ đến nhiệt cắt: σb = 600 MPa; v = 100 m/ph; h = 2 mm; s = 0,5 mm/vg
Hình 2.7. Quan hệ giữa góc cắt và nhiệt cắt
Khi tăng góc cắt δ thì tăng lực cắt, tăng công biến dạng và công ma sát, do đó nhiệt cắt tăng. Tuy nhiên tăng góc cắt δ nên góc sắc β tăng lên, điều kiện truyền nhiệt tốt hơn (nhưng với mức độ thấp). Kết quả là nhiệt độ tăng (h.2.7).
c) Ảnh hưởng của vật liệu gia công và dụng cụ
Thực nghiệm đã xác định sự phụ thuộc nhiệt độ to vào các tính chất cơ học của vật liệu gia công theo (h.2.8).
Hình 2.8. Ảnh hưởng cơ tính đến nhiệt cắt của vật liệu gia công: a) – vật liệu có độ bền khác nhau; b)- các loại vật liệu khác nhau.
Có thể nhận xét rằng khi cắt vật liệu giòn do công biến dạng nhỏ và lực cắt đơn vị (tỉ số của lực theo hướng chuyển động chính trên diện tích phoi cắt) không đáng kể nên nhiệt cắt thấp hơn khi cắt vật liệu dẻo. Độ bền và độ cứng của vật liệu gia công càng lớn thì nhiệt cắt càng lớn.
Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn hơn đến nhiệt cắt khi gia công vật liệu dẻo (thép) so với vật liệu giòn (gang). Đó là do vật liệu dẻo có phoi vụn ít biến dạng và không lưu lại trên mặt trước, áp lực khi gia công vật liệu dẻo tập trung hẹp trên bề mặt dọc lưỡi cắt.
Nhiệt cắt cơ bản phụ thuộc vào nhiệt dung và tính dẫn nhiệt của vật liệu gia công và vật liệu làm dụng cụ. Khi gia công kim loại màu nhiệt cắt thấp không chỉ vì công cắt thấp mà
còn do tính dẫn nhiệt tốt. Thép không gỉ austenite có tính dẫn nhiệt kém nên nhiệt cắt cao hơn so với thép cacbon khi gia công. Vật liệu làm dụng cụ nào có tính dẫn nhiệt tốt thì khi cắt nhiệt cắt sẽ thấp. Hợp kim cứng hệ BK có tính dẫn nhiệt tốt hơn hệ TK, đồng thời hệ số ma sát nhỏ hơn, do đó nhiệt cắt tại vùng tiếp xúc khi cắt của dụng cụ hệ BK thấp hơn.
Kích thước thân dao cũng ảnh hưởng tới nhiệt cắt, dao càng to thì nhiệt càng giảm vì điều kiện truyền nhiệt tốt hơn.
2.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt đến quá trình cắt
Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt thường được nghiên cứu theo 3 quan điểm:
- Theo độ chính xác gia công
- Theo chất lượng bề mặt đã gia công.
- Theo khả năng cắt của dao.
2.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công.
Độ chính xác gia công khi cắt gọt được quyết định bởi vị trí tương quan giữa dao và chi tiết gia công trong quá trình cắt. Do vậy sự biến dạng về nhiệt của dao và chi tiết gia công do ảnh hưởng của nhiệt khi cắt được quan tâm khảo sát.
Về quá trình trao đổi nhiệt, ta biết rằng nếu cung cấp một lượng nhiệt Q cho một vật có thể tích V (cm3), tỷ nhiệt c (J/kg.0K), khối lượng riêng g(kg/cm3), thì độ tăng của nhiệt độ của vật thể được xác định:
( ) .
.
0K V c
Q θ = γ
∆ (2.1) Độ thay đổi chiều dài L theo phương nào đó của vật thể là:
∆ L = α . ∆ θ . L ( mm ) (2.2) 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 Qct thì nhiệt độ trên chi tiết sẽ tăng lên một lượng Dq xác định và đường kính của chi tiết sẽ thay đổi một lượng là DD:
∆ L = α . ∆ θ . D ( mm ) (2.3) Mặt khác, nhiệt lượng Qd 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:
∆ L = f ( L , F , σd, v , s , t ... ) (2.4) trong đó:
F - là tiết diện thân dao σd - là độ bền vật liệu dao.
v,s,t - là chế độ cắt.
Sau quá trình cắt, khi chi tiết về nhiệt độ thường, đường kính thực tế của chi tiết gia công sẽ là:
Dt = D − ( α . Α θ . D + ∆ L ) (2.5) 2.2.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công.
Chất lượng bề mặt đã gia công của chi tiết được đặc trưng bởi độ nhấp nhô bề mặt và tính chất cơ - lý lớp sát bề mặt. Nhiệt cắt có ảnh hưởng chủ yếu đến sự thay đổi tính chất cơ - lý lớp bề mặt chi tiết gia công.
Ta biết rằng, khi kim loại bị đốt nóng đến một nhiệt đọ nào đó thi tổ chức kim tương của chúng sẽ thay đổi. Sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi về cơ - lý tính của kim loại. Mặt khác, trong quá trình cắt sự tăng giảm đột ngột về nhiệt độ trên bề mặt gia công kết hợp với sự dao động của lực cắt sẽ tạo nên ứng suất dư và vết nứt tế vi trên lớp kim loại sát trên bề mặt, đồng thời trên đó kim loại cũng bị biến cứng hay hoá bền. Nói chung các ảnh hưởng này đều theo chiều hướng bất lợi cho yêu cầu về cắt gọt.
2.2.3.3. 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.
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.
2.2.4 Biện pháp giảm nhiệt khi cắt.
Để cải thiện điều kiện cắt, nâng cao năng suất cắt, tăng độ bóng bề mặt gia công... người ta thường dùng dung dịch trơn nguội.
*Tác dụng của dung dịch trơn nguội.
• Hạ nhiệt độ của vùng cắt, bôi trơn bề mặt làm việc.
• Làm cho quá trình biến dạng dẻo dễ dàng hơn và do đó làm giảm công tiêu hao khi cắt.
• Cuốn phoi ra khỏi khu vực cắt.
• Làm nguội dụng cụ cắt và chi tiết gia công, tạo điều kiện nâng cao tuổi bền của dao, tăng năng suất cắt, giảm biến dạng nhiệt.
• Bảo vệ bề mặt chi tiết gia công khỏi sự ăn mòn của môi trường.
Hiệu quả của dung dịch trơn nguội khi cắt phụ thuộc vào các yếu tố như nguyên công, nhiệt độ, tốc độ cắt. Nhiệt độ cắt tăng khi tốc độ cắt tăng, cho nên làm nguội vùng cắt là yêu cầu quan trọng khi cắt ở tốc độ cao.
Tuy nhiên, có những trường hợp sử dụng dung dịch trơn nguội lại không tốt. Ví dụ trong các nguyên công cắt gọt không liên tục - như phay - tác dụng làm nguội của dung dịch chỉ làm tăng sự chênh lệch nóng lạnh của chu kỳ nhiệt mà lưỡi cắt chịu. Điều này có thể dẫn đến nứt nhiệt (mỏi nhiệt hoặc sốc nhiệt). Hoặc khi tiện dung dịch trơn nguội có thể làm phoi trở nên xoắn hơn, ứng suất tập trung hơn vào mũi dao làm giảm tuổi bền của dụng cụ.
2.3. Hiện tượng lẹo dao:
Trong quá trình cắt ra phoi dây, trên mặt trớc của dao kề ngay lỡi cắt thờng xuất hiện những lớp kim loại có cấu trúc kim tợng khác hẳn với vật liệu gia công và vật liệu làm dao. Nếu lớp kim loại này bám chắc vào lỡi cắt của dụng cụ thì đợc gọi là lẹo dao.
Cơ chế của quá trình hình thành lẹo dao có thể giải thích thêm nh sau: do chịu
áp lực lơn và nhiệt độ cao, mặt khác vì mặt trớc của dao không tuyệt đối nhẵn nên các lớp kim loại bị cắt nằm kề sát với mặt trớc của dao có tốc độ di chuyển chậm và trong những
điều kiện nhất định lực cản thắng đợc lực ma sát trong nội bộ kim loại thì lớp kim loại sẽ nằm lại ở mặt trớc tạo thành lẹo dao. Vì biến dạng rất lớn nên độ cứng của lẹo dao lớn hơn độ cứng của vật liệu gia công từ 2,5-3,5 lần và do đó có thể thay thế vật liệu làm dao
đề thực hiện quá trình cắt.
Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng tỏ rằng có 2 loại lẹo dao:
Lẹo dao ổn định nằm dọc theo lỡi cắt trong suất quá trình cắt. Loại này gồm một số lớp gần nh song song với mặt trớc và thờng hình thành khi cắt thép với chiều dày cắt nhá.
Lẹo dao chu kỳ: Loại này gồm 2 phần: phần nền nằm sát với mặt trớc của dao, về cơ
bản gọi là lẹo dao loại 1. Trên nền đó hình thành phần thứ 2, phần này sinh ra lớn lên và mất đi nhiều lần trong một đơn vị thời gian. Sự xuất hiện và mất đi của lẹo dao làm cho các góc cắt của dao trong quá trình cắt luôn luôn biến đổi.
“Trong quá trình cắt trên mặt trớc của dao xuất hiện một lớp kim loại, có dạng hùnh chêm và có cấu trúc dạng kim tợng, có thể thay thế lới cắt. Hiện tợng đó đợc gọi là hiện tợng lẹo dao”
Thông số quan trọng đặc trng cho kích thớc của lẹo dao là chiều cao của lẹo dao.(H) Khi tiện thép 45 không có dung dịch trơn nguội chiều cao của lẹo dao có thể biểu diễn bằng công thức thực
nghiệm sau:
195 , 0 8 , 1
7 . 90
s
h= v (mm)