Giáo trình Cơ sở cắt gọt kim loại - Chương 5: Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt
C5 NHIET CAT CGKL
1
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
CHƯƠNG 5
HIỆN TƯỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CẮT
5.1. NHIỆT PHÁT SINH KHI CẮT KIM LOẠI.
Quá trình tạo phoi và thoát phoi khỏi vùng cắt trong quá trình cắt làm xuất hiện
một lượng nhiệt nhất định. Lương nhiệt này sinh ra do sự chuyển đổi từ công cắt gọt.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng gần như tất cả công cần thiết trong quá trình cắt đều
chuyển biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi và công kín (công để biến dạng
mạng tinh thể và các bề mặt lớn). Khoảng gần 98% công này chuyển hoá thành nhiệt
tổng cọng phát sinh sau một phút gia công và có thể tính theo công thức sau:
P .v
z
Qcg
[Kcal/ph]
(5.1)
427
Trong đó:
Pz - thành phần lực cắt tiếp tuyến.
v - tốc độ cắt.
Nhiệt lượng cắt được định nghĩa như là lượng nhiệt được sinh ra trong quá trình
cắt sau một phút. Đó chính là công suất nhiệt khi cắt. Còn lượng nhiệt có trên một đơn
vị thể tích hay khối lượng của vật thể được cắt gọi là nhiệt lượng đơn vị (Cal/cm3;
Cal/g).
Nhiệt lượng sinh ra khi cắt làm nóng chi tiết gia công, phoi và dụng cụ cắt.
Nhiệt độ tại các điểm khác nhau có sự tác động của lượng nhiệt khác nhau và gọi là
nhiệt độ cắt tức thời của các điểm khối lượng khảo sát trong vùng cắt. Trung bình cọng
đại số của nhiệt độ các điểm khối lượng của phoi gọi là nhiệt độ trung bình của phoi.
Tương tự ta có nhiệt độ trung bình của dụng cụ và chi tiết gia công. Nhiệt độ trung
bình trên các bề mặt tiếp xúc của vật liệu gia côngvà vật liệu cắt gọi là nhiệt độ cắt, qui
ước gọi tắt là nhiệt cắt.
5.2. NGUỒN GỐC CỦA NHIỆT CẮT VÀ SỰ PHÂN BỐ CỦA CHÚNG.
5.2.1. Nguồn gốc của nhiệt cắt.
Như trên đã phân tích rõ ràng để tách được phoi và thắng được ma sát khi cắt ta
cần có lực cần thiết tác động vào chi tiết gia công tạo ra công cắt gọt và gần như hầu
hết công này chuyển biến thành nhiệt. Công này chính là để thực hiện quá trình biến
dạng và thắng ma sát khi cắt. Do vậy ta có thể nói rằng; nguồn gốc của nhiệt cắt là
biến dạng và ma sát khia cắt.
Qcg = Qbd + Qms
(5.2)
Khi gia công cắt gọt ta có thể phân định vùng cắt thành các vùng biến dạng và
ma sát. Do vậy nhiệt sinh ra từ 4 nguồn:
1. Vùng tạo phoi. Nhiệt sinh ra do công ma sát giữa các phần tử của vật liệu gia công
trong quá trình biến dạng: Qdh
C5 NHIET CAT CGKL
2
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
Nếu xem vùng tạo phoi như là một mặt trượt duy nhất thì qua nghiên cứu lượng
nhiệt này có thể xác định qua biểu thức sau:
P .vc1
c
Qdh
(5.3)
427
Trong đó: Pc - lực theo phương trượt
vc1 - vận tốc trượt.
phoi
v
dao
chi tiết
Hình 5.1- Nguồn gốc và sự phân bố nhiệt cắt
2. Vùng tiếp xúc của phoi và mặt trước dao. Nhiệt sinh ra do công biến dạng đàn hồi
và ma sát ngoài: Qdm
Lượng nhiệt xuất hiện trên mặt trước dao là do 2 nguồn: do tác dụng của lực ma
sát trong ở lớp vật liệu phoi gần sát mặt trước kháng lại biến dạng đàn hồi và lực ma
sát ngoài trên mặt tiếp xúc.
3. Vùng tiếp xúc của mặt sau dao và mặt cắt của chi tiết gia công. Nhiệt sinh ra do
sự chuyển đổi công ma sát: Qms
4. Nhiệt sinh ra do công đứt phoi: Qdp
5.2.2. Sự phân bố nhiệt cắt.
Các lượng nhiệt sinh ra được truyền và phân tán vào phoi Qf, dụng cụ cắt Qd,
chi tiết gia công Qct và môi trường Qmt.
Từ điều kiện cân bằng nhiệt ta có thể viết:
Qdh + Qdm + Qms + Qdp = Qf + Qd + Qct + Qmt
(5.4)
Phương trình (5.4) được gọi là phương trình thu phát nhiệt trong quá trình cắt.
C5 NHIET CAT CGKL
3
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
y
q1
q5
q9
Phoi
q6
x
q2
q10
q3
q4
q8
x
Chi tiết
gia công
q7
Dụng cụ
y1
Hình 5.2- Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt
Sơ đồ trên mô tả tổng quát hướng các nguồn nhiệt trong phoi cắt, dụng cụ, chi
tiết gia công và ngoài môi trường.
1. Nhiệt truyền vào phoi cắt.
Lượng nhiệt phoi nhận được được truyền từ 2 nguồn nhiệt: nguồn Q5 của vùng
biến dạng trượt (mặt tạo phoi) và nguồn Q6 trên mặt trước dao. lượng nhiệt này
chiếm khoảng 75% tổng lượng nhiệt sinh ra khi cắt Qcg.
2. Nhiệt truyền vào dụng cụ.
Một phần lượng nhiệt Q3 sinh ra trên bề mặt tiếp xúc của phoi với mặt trước
dao cùng với một phần lượng nhiệt Q4 khác sinh ra từ ma sát của bề mặt sau
dao với bề mặt cắt truyền vào dụng cụ khi cắt. Lượng nhiệt này chiếm khoảng
20% Qcg.
3. Nhiệt truyền vào chi tiết gia công.
Có hai dòng nhiệt hướng vào chi tiết gia công đó là: q1 và q2. Lượng nhiệt chi
tiết nhận được Q1 từ dòng nhiệt sinh ra trong mặt trượt q1 và lượng nhiệt Q2 từ
dòng nhiệt sinh ra từ mặt sau dao q2. Lượng nhiệt này chiếm khoảng 4% Qcg.
4. Nhiệt truyền vào môi trường.
Một phần nhiệt khác của quá trình cắt truyền từ bề mặt tự do của phoi, dụng cụ
và chi tiết gia công vào môi trường chung quanh Q7, Q8, Q9 . Lượng nhiệt này
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lượng dung dịch trơn nguội tưới vào vùng cắt,
tốc độ cắt, chiều dày lớp cắt...
Sự phân tích lý thuyết tóm tắt về sự thu phát nhiệt của quá trình cắt giúp đánh
giá ảnh hưởng của các thông số cơ bản của cắt gọt đến sự xuất hiện và sự dẫn nhiệt khi
C5 NHIET CAT CGKL
4
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
cắt. Tuy nhiên việc xác định sự thu nhận nhiệt và truyền phát nhiệt bằng tính toán là
rất khó và không chính xác.
Tóm lại mỗi nguồn nhiệt sinh ra có một phạm vi tác dụng nhất định. Phần lớn
nhiệt lượng sinh ra do biến dạng trên mặt cắt (biến dạng trượt) nằm lại trong phoi
nhưng phoi lại thoát ra ngoài, một phần nhỏ truyền sang dụng cụ cắt nhưng dụng cụ lại
luôn nằm trong vùng cắt.
Các kết quả thực nghiệm nghiên cứu về nhiệt cắt cho ta một số nhận xét sau:
• Khi tăng tốc độ cắt, lượng nhiệt truyền vào dao giảm. Đó là do sự chậm trễ
của tốc độ truyền nhiệt so với tốc độ chuyển đọng của phoi. Tức là vì thời
gian để thoát phoi rất ngắn nên nhiệt chưa kịp truyền sang dao.
• Khi gia công thép chịu nhiệt, lượng nhiệt truyền vào dao tăng lên nhiều hơn
so với khi gia công thép kết cấu. Điều đó là vì thép chịu nóng có sức bền và
độ dẻo cao hưon nên công cắt lớn và do đó lượng nhiệt sinh ra lớn, đồng thời
các loại thép chịu nhiệt đều có tính dẫn nhiệt kém.
Tuy rằng lượng nhiệt truyền vào dao không nhiều nhưng do tính truyền nhiệt
của vật liệu làm dao thấp và do dao liên tục tiếp xúc với vùng sinh nhiệt nên nhiệt độ
trên dao thường cao hơn so với nhiệt độ trung bình của phoi và chi tiết.
5.3. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT CẮT 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.
5.3.1. 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 (kg/cm3), thì độ
tăng của nhiệt độ của vật thể được xác định:
Q
θ =
(0K)
(5.5)
c.γ.V
Độ thay đổi chiều dài L theo phương nào đó của vật thể là:
ΔL = α.Δθ.L
(mm)
(5.6)
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 xác định và đường kính của chi tiết sẽ thay đổi
một lượng là D:
C5 NHIET CAT CGKL
5
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
ΔD = α.Δθ.D
(mm)
(5.7)
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...)
(5.8)
trong đó:
F
- là tiết diện thân dao
- là độ bền vật liệu dao.
d
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.Δθ.D + ΔL)
(5.9)
5.3.2. 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.
5.3.3. 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.
C5 NHIET CAT CGKL
6
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
5.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NHIỆT CẮT.
Qua nghiên cứu và từ thực tế cắt gọt ta thấy rằng nhiệt cắt có ảnh hưởng rất lớn
đến quá trình cắt, do vậy cần phải xác định được độ lớn của chúng trong những trường
hợp cắt gọt cụ thể.
Tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà ta có thể xác định nhiệt cắt trên dao,
trên chi tiết, trên phoi hoặc ở môi trường chung quanh.
Sự phân tích lý thuyết về sự thu nhận nhiệt của quá trình cắt cho khả năng đánh
giá đựoc ảnh hượng của các thông số cơ bản có liên quan đến quá trình cắt đến sự xuất
hiện và sự dẫn nhiệt khi cắt, tuy nhiên việc xác định sự thu nhận nhiệt bằng tính toán
là rất khó và không chính xác nên chỉ thường được áp dụng khi việc đo đạc nhiệt độ
trực tiếp khó khăn hoặc không thể tiến hành được.
Ngày nay với sự phát triển của các ngành khoa học, kỹ thuật đo nhiệt nói chung
và đo nhiệt cắt nói riêng ngày càng hoàn hảo. Do vậy việc xác định nhiệt cắt bằng cách
đo là phổ biến. Tuy nhiên với mục tiêu nghiên cứu, người ta còn tiến hành xác định
nhiệt cắt bằng tính toán.
5.4.1. Xác định nhiệt cắt bằng phương pháp đo.
Việc đo nhiệt cắt có thể thực hiện theo nhiều phương pháp.
1. Đo nhiệt cắt thông qua đo nhiệt lượng phoi cắt.
Phương pháp này đơn giản, dễ sử dụng và thực hiện nhưng kết quả đo ít chính
xác.
1
2
3
4
4
Hình 5.3 - Dụng cụ do nhiệt độ phoi
Dựa vào định luật bảo toàn năng lượng: trong hệ cân bằng về nhiệt thì lượng
nhiệt toả ra bằng lượng nhiệt thu vào, ta xây dựng hệ thống thí nghiệm như sau:
Dùng bình đựng nước 1 có ống 2 để hứng phoi khi cắt. Bình được cách nhiệt
với môi trường nhờ lớp chân không giữa bình và võ 3. Nước trong bình 1 được xác
C5 NHIET CAT CGKL
7
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
định có khối lượng mn, tỷ nhiệt cn với nhiệt độ ban đầu 0. Bình được đặt sát vào vị trí
cắt và trực tiếp hứng lấy phoi cắt rơi xuống. Nhiệt lượng từ phoi sẽ toả ra làm cho
nhiệt độ nước trong bình tăng lên khi hệ cân bằng về nhiệt ta đo được nhiệt độ của
toàn hệ bằng nhiệt kế 4. Để đảm bảo nhiệt độ trong bình đồng đều dùng cánh khuấy 5
để khuấy nước.
Nếu gọi nhiệt độ của phoi khi cắt cần xác định là f và nhiệt độ nhiệt kế đo
được khi hệ cân bằng là k, khối lượng phoi trong bình hứng được là mf, tỷ nhiệt cf.
Theo nguyên lý cân bằng nhiệt lượng thì nhiệt lượng phoi toả ra bằng nhiệt lượng
nước nhận được, do vậy ta có:
cf .mf ( f k ) cn.mn (k 0 )
Suy ra:
mn.cn
f
(k 0 ) k
(5.10)
mf .cf
2. Đo nhiệt cắt dựa theo nguyên lý pin nhiệt điện (cặp ngẫu nhiệt)
Nguyên lý của phương pháp này dựa trên hiện tượng nhiệt điện. Khi nung nóng
đầu nối của hai dây dẫn từ hai kim loại khác nhau thì xuất hiện trên đầu cuối tự do của
dây dẫn một lực nhiệt điện động tỷ lệ thuận với nhiệt độ của chỗ nối. Từ đó suy ra
bằng việc đo lực nhiệt điện động có thể xác định nhiệt độ tại vùng tiếp xúc của hai kim
loại này. Tại đầu dây đầu nối bị nung nóng làm cho có sự trao đổi điện tích nên trong
dây dẫn xuất hiện các điện tích khác dấu, nếu nối kín mạch thì trong mạch sẽ sinh một
dòng nhiệt điện; ta có thể dùng mili volt kế để đo điện thế trong mạch.
điểm nóng
kim loại A
miliVolt-kế
(đầu nối) θ2
●
●
●
kim loại B
các điểm lạnh
(hai đầu tự do) θ1
Hình 5.4 - Cặp ngẫu nhiệt (pin nhiệt điện)
Theo nguyên lý này, việc đo nhiệt cắt có thể theo nhiều phương án khác nhau.
a. Phương án pin nhân tạo (hai kim loại riêng biệt).
Khoan vào dụng cụ một lỗ có đường kính khoảng 1-2mm sát mũi dao và cách
mặt trước dao khoảng f=0,2mm. Đặt vào đáy lỗ khoan đầu nóng của cặp pin nhiệt điện
ví dụ như cặp kim loại sắt và konstantan. Cặp pin nhiệt điện được cách điện với dao.
Hai đầu nguội được nối với đồng hồ mV kế. Thông qua hiệu điện thế đọc được trên
đồng hồ ta xác định được nhiệt độ tại điểm sát đáy lỗ.
C5 NHIET CAT CGKL
8
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
Hình 5.5 - Sơ đồ đo nhiệt cắt bằng pin nhân tạo
Phương án này có ưu điểm là đo được nhiệt độ tại bất kỳ điểm nào trên dao, chi
tiết. Nhưng có nhược điểm lớn là việc chuẩn bị công phu và phức tạp, số lần thí
nghiệm bị hạn chế do mặt trước bị mòn, nhiệt độ đo được không phải trên mặt trước
dao như mong muốn.
b. Phương án pin nửa nhân tạo (có một kim loại ngoại lai)
Dao cũng được khoan lỗ
chuẩn như trên, đặt vào lỗ khoan dây
konstantan hàn dính tại đáy lỗ và
được cách điện cách nhiệtvới kim
loại dao.
Sự khác nhau cơ bản của
phương án này là một phần tử của
ngẫu nhiệt là vật liệu dụng cụ hay là
chi tiết, phần thứ hai là kim loại dây.
Ưu điểm của phương án này
là đo được nhiệt độ trên sát mặt trước
dao nhưng không đo được nhiệt độ
sát lưỡi cắt dao.
pin bán nhân tạo
Hình 5.6 - Đo nhiệt cắt bằng
c. Phương án pin tự nhiên.
Trong phương án này cả hai thành phần của pin đều do vật liệu dao và vật liệu
gia công tạo nên. Lực nhiệt điện động xuất hiện tỷ lệ thuận với nhiệt độ trung bình của
các điểm tiếp xúc giữa vật liệu gia công và vật liệu dao. Phương án này cần phải cách
điện dụng cụ và chi tiết đồng thời chú ý để nhiệt độ của những điểm giữa vật liệu gia
công và vật liệu làm dao, nơi nối máy đo, trong suốt thời gian đo là hằng số.
Những dụng cụ thoả mãn tốt nhất điều kiện đo này là dụng cụ nguyên khối vật
liệu, nếu dùng dụng cụ có gắn các mảnh hợp kim cứng thì nơi nối vật liệu dao và thân
C5 NHIET CAT CGKL
9
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
dao bị nung nóng và xuất hiện “ngẫu nhiệt ký sinh” làm cho kết quả đo bị sai lệch.
Tuy nhiên phương án này có nhược điểm là đối với một cặp vật liệu dao và chi tiết đều
phải lập sơ đồ chuẩn trước khi đo.
Hình 5.8 - Hiện tượng
Hình 5.7 - Đo nhiệt cắt bằng
ngẫu nhiệt ký sinh
pin tự nhiên 1 dao
Có thể điều chỉnh đo nhiệt độ bằng ngẫu nhiệt trực tiếp (pin tự nhiên) bằng
phương án hai dao. Cặp ngẫu nhiệt được tạo thành bằng hai vật liệu làm dao khác nhau
của hai dao cùng vào cắt. Vật liệu gia công tạo giữa hai dao một cầu dẫn điện. Các dao
sử dụng phải được cách điện, cách nhiệt. Khi cắt phải đảm bảo cůng chế độ cắt và phải
giữ hai điểm nguội có nhiệt độ như nhau và không đổi. Phương án này chỉ cần tiến
hành lập đồ thị chuẩn khi thay cặp dao, còn khi thay chi tiết thì không cần.
Hình 5.9 - Đo nhiệt cắt bằng pin tự nhiên 2 dao
d. Đo nhiệt cắt theo nguyên lý quang học.
Ở phương pháp này khi cắt tia nhiệt phát ra từ một điểm nhất định của trường
nhiệt độ của chi tiết hay dụng cụ được bắt bởi hai thấu kính và các thiết bị tập trung tia
nhiệt, nhận cường độ tia quang nhiệt, pin nhiệt và đồng hồ đo.
C5 NHIET CAT CGKL
10
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
Hình 5.10 - Đo nhiệt cắt theo nguyên lý quang học
Thuận lợi chính của phương pháp này là có thể cho phép đạt được tính tổng
quan về nhiệt độ của những vị trí khác nhau của chi tiết gia công, dao và phoi, khi mà
các phương pháp trước đây không đo được. Nhưng phương pháp này có nhược điểm là
khó điều chỉnh, lắp đặt khó khăn và dụng cụ tương đối phức tạp.
Ngoài ra ta có thể đo nhiệt bằng tế bào quang. Ở dây phần tử nhận nhiệt là tế
bào quang ví dụ PbS (sunfit chì), thực chất là điện trở mà khi lộ sáng phóng xạ thì nó
thay đổi điện trở không đáng kể.
Trước hết tế bào nhìn thấy qua lỗ trên nguồn sáng. Nguồn sáng được đặt ở
khoảng cách khá xa để đảm bảo các tia sáng song song. Vì dụng cụ tiến về phía trước
do đó bề mặt trượt đi đến đúng lỗ và bịt nó phía trên, cắt mất nguồn sảng và tạo ra sự
thay đổi điện thế trong tế bào quang.
Hình 5.11 - Sơ đồ vàmạch điện để đo nhiệt cắt bằng tế bào quang
Hiện nay người ta còn dùng các dụng cụ đo nhiệt bằng phương pháp chụp ảnh
qua tia hồng ngoại, dụng cụ đo băng tia lazer.
C5 NHIET CAT CGKL
11
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
Hình 5.12 - Phương pháp chụp ảnh
Hình 5.13 - Phương pháp đo nhiệt
bằng lazer
5.4.2. Xác định nhiệt cắt bằng phương pháp tính toán.
Việc tính toán nhiệt cắt cũng được thực hiện bằng hai hướng:
- Tính toán bằng những công thức lý thuyết.
- Tính toán bằng những phương trình thực nghiệm.
1. Tính toán nhiệt cắt theo lý thuyết.
Nhiều công trình lý thuyết về tính toán nhiệt cắt đã được nghiên cứu và cho ta
các công thức tính toán nhiệt độ cắt xuất hiện trên chi tiết, phoi hay dao.
Qua khảo sát người ta thấy rằng trường nhiệt độ của phoi, dụng cụ và chi tiết
khi gia công nói chung là không ổn định. Sự phân bố ổn định nhiệt độ đạt được chỉ sau
khi cắt một thời gian nhất định thường từ 2 - 15 phút.
Trên cơ sở về lý thuyết quá trình tuyền nhiệt ta có thể xác định sự phân bố nhiệt
trong phoi, dụng cụ và chi tiết gia công bằng cách giải phương trình vi phân tổng quát
truyền nhiệt trong chất rắn (phương trình nhiệt vật lý cắt gọt). Có thể viết phương trình
quá trình truyền nhiệt trong không gian và thời gian dưới dạng:
1
x
y
y
z
z
x
y
z
()
()
()
Vx
Vy
Vz
c x
trong đó:
c - là nhiệt lượng riêng của vật nhận nhiệt.
ρ - là khối lượng riêng của vật nhận nhiệt.
α(θ) - là hệ số dẫn nhiệt.
θ - là nhiệt độ vật nhận đựơc.
τ - là thưòi gian truyền nhiệt.
x, y, z - là các phương truyền nhiệt.
Vx, Vy, Vz - là các vectơ truyền nhiệt theo các phương tương ứng.
C5 NHIET CAT CGKL
12
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
Phương trình trên có thể viết lại dưới dạng phương trình vi phân dẫn nhiệt theo
c
1
Qv
nhiệt động học là:
.div ().grad
c
Nếu xem hệ số dẫn nhiệt α(θ) là hằng số và nguồn nhệt bên trong Qv không tồn tại
(thực tế trong cắt gọt không có nguồn nội nhiệt này), ta có thể viết phương trình vi
phân dưới dạng:
a.
1
2 2 2
trong đó:
a
và
c
x2 y2 z2
Phương trình này có vế trái biểu thị sự biến thiên của nhiệt độ theo thời gian, vế
phải biểu thị sự biến thiên của nhiệt độ trong không gian.
Hình 5.14 - Trường nhiệt độ của dụng cụ
Hình 5.15 - Trường nhiệt độ của chi tiết
Hình 5.16 - Phân bố nhiệt trên mặt trước dao
Hình 5.17 - Phân bố nhiệt trên mặt sau dao
C5 NHIET CAT CGKL
13
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
Phương trình này có các nghiệm khác nhau cho các điều kiện biên khác nhau
liên quan đến thời gian và không gian trong phoi, dụng cụ và chi tiết.
Theo kết quả nghiên cứu quá trình cắt, nhiệt độ của phoi tại điểm cụ thể ở
khoảnh khắc tức thời có thể coi là kết quả tác động của hai nguồn nhiệt: nguồn trên
mặt cắt (mặt trượt) biến dạng đàn hồi bậc nhất và nguồn ma sát trên mặt trước dao. Do
vậy ở đây chỉ tính sự dẫn nhiệt trong một hướng duy nhất đó là hướng trục x, tức là
theo chiều dày của phoi.
2
Giải phương trình:
a.
với các điều kiện biên thích hợp ta sẽ thu
x2
được nghiệm đó là nhiệt độ tại một điểm trên mặt trước dao hay điểm cần khảo sát trên
phoi.
2. Tính toán nhiệt cắt theo phương trình thực nghiệm.
Các công thức tính nhiệt cắt theo lý thuyết chủ yếu dùng trong công tác nghiên
cứu. Trong thực tế việc tính nhiệt cắt có thể thực hiện một cách đơn giản hơn bằng các
phương trình kinh nghiệm.
Các phương trình kinh nghiệm này được xây dựng trên cơ sở nghiên cứu và
khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện cắt gọt như vật liệu gia công, dụng cụ cắt, chế độ
cắt và một số các yếu tố khác đến nhiệt cắt bằng thực nghiệm.
a. Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt.
Các tính chất về cơ học và nhiệt của vật liệu gia công có ảnh hưởng đáng kể
đến nhiệt cắt. Nhiệt cắt thấp hơn khi gia công hợp kim so với khi gia công thép nhờ
khả năng biến dạng nhỏ hơn của hợp kim.
Có thể nhận xét một cách tổng quát rằng khi cắt vật liệu giòn do công biến
dạng rất bé và lực cắt đơn vị không đáng kể nên nhiệt cắt thấp hơn khi cắt vật liệu dẻo.
Độ cứng và độ bền của vật liệu gia công càng lớn thì nhiệt cắt càng lớn do có quan hệ
với công biến dạng. Nhiệt cắt cơ bản phụ thuộc vào nhiệt dung và đặc biệt phụ thuộc
vào tính chất dẫn nhiệt của vật liệu gia công và vật liệu làm dao.
Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt trong điều kiện thí nghiệm cắt
với a=1mm, b=1mm và v=1m/ph được biểu thị bằng hằng số thực nghiệm Cθ.
b. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao đến nhiệt cắt.
Vật liệu làm dao cũng có đặc tính tương tự như vật liệu chi tiết gia công. Loại
vật liệu dao nào có tính dẫn nhiệt tốt thì khi cắt nhiệt cắt sẽ thấp và ngược lại. Yếu tố
quyết định của dao về cao thấp của nhiệt cắt sinh ra là cấu trúc thành phần hoá học của
vật liệu xác định tính tương đồng hoá học của nó với vật liệu gia công, mặt khác là lý
tính của nó như tính dẫn nhiệt và hệ số ma sát. Ảnh hưởng của tính dẫn nhiệt sẽ tăng
khi tăng tốc độ cắt, giảm góc cắt, giảm chiều dày phoi. Với tốc độ cắt thấp thì ảnh
hưởng của độ dẫn nhiệt nhỏ.
Kích thước thân dao cũng có ảnh hưởng như vậy đến nhiệt cắt vì nó ảnh hưởng
đến khả năng dẫn nhiệt của dụng cụ cắt. Kích thước càng lớn thì nhiệt sinh ra khi cắt
càng thấp.
C5 NHIET CAT CGKL
14
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
c. Ảnh hưởng của tốc độ cắt.
Trong các yếu tố cắt thì tốc độ
cắt là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất
đến nhiệt cắt. Khi tăng tốc đọ cắt thì
nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi
đã đạt được độ lớn nhất định thì
cường độ tăng chậm lại và đường
cong của hàm số phụ thuộc θ = f(v)
gần tiệm cận với nhiệt độ nóng chảy
của vật liệu gia công.
Bằng thực nghiệm ta có thể
thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt
cắt và tốc độ cắt theo công thức sau:
Hình 5.18 - Quan hệ giữa θ và v
Cv.vx
Giá trị số mũ xθ phụ tuộc vào vật liệu gia công và vùng vận tốc cắt.
Khi v=15-45 m/ph thì xθ = 0,5 đối với gia công thép
và xθ = 0,35-0,45 đối với gia công gang.
Khi v=45-180 m/ph thì xθ = 0,23 đối với gia công thép
và
xθ = 0,18 đối với gia công gang.
d. Ảnh hưởng của chiều dày cắt.
Chiều dày cắt ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn so với vận tốc cắt. Khi tăng chiều
dày a hay lượng chạy dao s thì nhiệt cắt tăng nhưng không phải tăng tuyến tính.
Khi tăng lượng chạy dao
(cũng như tăng a) áp lực của
phoi trên dao tăng, công ma sát
trên mặt trước tăng, nhiệt cắt ở
vùng biến dạng bậc nhất tăng,
tuy nhiên hệ số co rút phoi
giảm, tổng công biến dạng cho
một đơn vị thể tích giảm, điều
kiện truyền nhiệt tốt hơn vì
chiều dày phoi lớn lên và diện
tích tiếp xúc giữa dao vbà phoi
được mở rộng, nhiệt cắt vì vậy
có tăng nhưng không tăng
nhanh như khi tăng tốc độ cắt.
Bằng thực nghiệm ta có
thể thiết lập được mối quan hệ
giữa nhiệt cắt và chiều dày cắt
Hình 5.19 - Quan hệ giữa chiều dày cắt
a đến nhiệt cắt
theo công thức sau:
Ca.ay
Giá trị trung bình của số mũ yθ từ thực nghiệm:
Đối với thép: yθ = 0,3; gang: yθ = 0,2.
C5 NHIET CAT CGKL
15
GVC NGUYỄN THẾ TRANH - TRẦN QUỐC VIỆT
e. Ảnh hưởng của chiều rộng cắt.
Chiều rộng cắt b (hay chiều sâu cắt t) có ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn so với
lượng chạy dao.
Khi tăng chiều sâu cắt, một
mặt tải trọng trên một đơn vị chiều
dài lưỡi cắt không đổi, mặt khác khi
tăng t do φ không đổi nên chiều dài
phần làm việc của lưỡi cắt tuy có
tăng nhưng điều kiện truyền nhiệt tốt
hơn. Kết quả là nhiệt cắt thay đổi ít.
Từ kết quả thực nghiệm ta
thiết lập được mối quan hệ giữa
nhiệt cắt θ và chiều rộng cắt b như
sau:
Cb.bz
Hình 5.20 - Quan hệ giữa nhiệt cắt với b
Ta có đối với thép: zθ = 0,05-0,14
đối với gang: zθ = 0,04
f. Ảnh hưởng của các thông số hình học dao.
Góc nghiêng chính φ, bán kính mũi dao R cũng ảnh hưởng tới độ lớn của nhiệt
cắt, ta dễ dàng nhận biết qua sự thay đổi của chiều dày cắt a và chiều rộng cắt b dẫn
đến sự thay đổi mức độ biến dạng và khả năng tản nhiệt.
Để đặc trưng các ảnh hương này đến nhiệt cắt ta dùng các hệ số điều chỉnh
nhiệt cắt Kφθ và KRθ.
Ngoài ra sự mài mòn của dụng cụ làm thay đổi hình dáng hình học phần cắt và
góc độ dao cũng làm cho nhiệt cắt thay đổi. Nói chung dụng cụ càng bị mòn thì nhiệt
cắt tăng. Dung dịch trơn nguội tưới vào vung cắt khi cắt sẽ làm cho nhiệt cắt giảm
nhanh vì ngoài tác dụng làm nguội, dung dịch còn có tác dụng bôi trơn giảm đáng kể
ma sát trong quá trình cắt. Tuy nhiên cần phải chọn phương pháp và lưu lương tưới
phù hợp thì mới tăng hiệu quả giảm nhiệt.
Tóm lại, bằng phương pháp thực nghiệm, sau khi xử lý các số liệu nhận được,
ta có thể thiết lập được phương trình kinh nghiệm tính toán nhiệt cắt như sau:
C .vx .ay .bz .K
C .vx .sy .tz .K'
hay
15 trang
18480
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Cơ sở cắt gọt kim loại - Chương 5: Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_co_so_cat_got_kim_loai_chuong_5_hien_tuong_nhiet.doc
