Ảnh hưởng của chế độ cắt đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao thép 9XC bằng dụng cụ CBN

Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CÁC THÀNH PHẦN LỰC CẮT TRONG TIỆN CỨNG TRỰC GIAO THÉP 9XC BẰNG DỤNG CỤ CBN Phan Quang Thế, Nguyễn Thị Quốc Dung*, Hoàng Minh Phúc Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo này trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao thép 9XC. Mảnh dao CBN dạng đặc với thành phần CBN cao được sử dụng trong quá trình tiện cứng phôi ống thép 9XC. Hai nhân tố vận tốc cắt và lượng chạy dao được tiến hành thí nghiệm ở hai mức yếu tố. Trong quá trình tiện cứng, các thành phần lực cắt đã được đo đạc. Phân tích phương sai kết quả thí nghiệm cho thấy cả ba yếu tố vận tốc cắt, lượng chạy dao và tương tác giữa chúng đều có ảnh hưởng đáng kể đến các giá trị của lực cắt. Trong đó, lượng chạy dao có ảnh hưởng lớn nhất và vận tốc cắt có ảnh hưởng ít hơn so với ảnh hưởng của tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao. Từ khóa: Tiện cứng, lực cắt, dụng cụ cắt, phân tích phương sai, tiện cứng trực giao ĐẶT VẤN ĐỀ* ứng suất sinh ra trong quá trình cắt kim loại thuộc loại cao nhất trong các quá trình gia Với nhiều ưu thế nổi bật, tiện cứng đang là công. Nhiệt độ cao và ứng suất lớn là nguyên một phương pháp gia công tinh được ứng nhân của một loạt các quá trình hóa lý phức dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành công tạp xảy ra trong quá trình cắt đồng thời diện nghiệp[1]. Có rất nhiều nghiên cứu liên quan tích tiếp xúc nhỏ là trở ngại lớn trong việc đến quá trình tiện cứng đã được công bố. tiếp cận nghiên cứu vùng cắt. Trong quá trình Xem xét các kết quả nghiên cứu cho thấy, tiện cứng, độ cứng cao của phôi cùng với các thuộc tính của dụng cụ cắt và vật liệu phôi, thông số hình học đặc trưng của dụng cụ, tốc thông số hình học của dụng cụ, điều kiện gia độ cắt lớn và điều kiện gia công khô đã có công và các tính chất của hệ thống công nghệ ảnh hưởng lớn làm cho tác dụng của lực cắt được coi như là các thông số đầu vào của quá có những thay đổi đáng kể so với quá trình trình tiện cứng và chúng có thể được lựa chọn tiện thông thường. Vì vậy, việc nghiên cứu khi bắt đầu gia công. Các thông số như lực tìm hiểu tác động của các nhân tố cắt đến các cắt, nhiệt cắt, chất lượng bề mặt và tuổi thọ thành phần lực cắt là điều cần thiết. Đó còn là dụng cụ được coi như là các tiêu chuẩn về cơ sở để tính toán ứng suất và nhiệt cắt, các hiệu quả của quá trình hoặc là các thông số nhân tố chính ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ đầu ra. Việc xác định chính xác lực cắt trong cũng như chất lượng bề mặt gia công. quá trình gia công luôn đóng vai trò quan Trong phạm vi tìm hiểu về các hiện tượng xảy trọng trong nghiên cứu tối ưu hóa quá trình, ra trong quá trình tiện cứng, một loạt các thiết kế tối ưu các thông số của dụng cụ và hệ nghiên cứu đã được tiến hành cho nhiều loại thống công nghệ. Lực cắt đặc trưng cho công vật liệu. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện thời suất cần thiết và là chỉ tiêu chủ yếu để thiết kế về vấn đề này vẫn chưa cho phép khái quát các phần tử của máy cắt kim loại, các cơ cấu hóa các kết quả đạt được và dự đoán trạng kẹp và cố định dụng cụ cũng như các yêu cầu thái của các vật liệu khác. Vì vậy, việc nghiên về độ cứng vững để đảm bảo loại trừ rung cứu đối với các vật liệu này luôn phải tiếp động trong gia công. Do lớp kim loại được cắt tục[2]. Theo Nakayama và cộng sự[3], lực cắt đi rất mỏng nên các thành phần lực đo được trong gia công các vật liệu cứng không lớn trong cắt kim loại thường không vượt quá vài hơn các vật liệu mềm mềm. Góc trượt lớn và chục đến vài trăm kilogram. Mặc dù lực sự hình thành phoi răng cưa do độ dẻo kém đã tương đối nhỏ so với các quá trình gia công làm giảm lực cắt mặc dù độ bền cao của vật kim loại khác như rèn, épnhưng do tác liệu cứng. Hơn nữa, khi gia công các thép dụng trên một diện tích rất bé đã khiến cho cứng, góc trước âm của dụng cụ càng lớn thì lực dọc trục càng cao và lực cắt tiếp tuyến càng thấp. Sự biến thiên của các thành phần * Tel: 0915308818; Email: quocdung@tnut.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 lực cắt cũng bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của Bảng 1. Thành phần hóa học của thép 9XC độ cứng của vật liệu gia công. Strafford và C Si P Mn Ni Cr Mo Audy [4] đã cho thấy khi tiện cứng thép AISI 0,823 1,2351 0,0241 0,5862 0,0332 1,113 0,0192 4340 có độ cứng từ 29 đến 57 HRC bằng V Cu W Ti Al Fe dụng cụ gốm đã có sự tăng tương ứng lực cắt từ 30-80%. Trong một công bố khác[5] đã chứng tỏ rằng tốc độ cắt càng cao, lực dọc trục và lực cắt riêng càng thấp, không phụ thuộc vào mòn dụng cụ. Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến quá trình tiến triển của lực cắt cũng đã được mô hình trong nhiều nghiên cứu. Bằng việc tiến hành các thí nghiệm khi gia công thép AISI D2 ở độ cứng 62HRC với dụng cụ cắt CBN, Hình 1. Phôi và dao dùng trong thí nghiệm Arsecularatne và cộng sự [6] đã kết luận có Các thành phần lực cắt được đo bằng thiết bị một mối liên hệ chặt chẽ giữa lực cắt và điều đo lực ba chiều ký hiệu PTNKĐ-ĐL (Viện kiện cắt. Huang và Liang [7] trình bày lực cắt Tên lửa-Việt Nam) như hình 2. tổng cộng là tổng của các thành phần lực để tạo phoi và lực do mòn mặt sau. Mô hình này được đánh giá bằng thực nghiệm quá trình tiện cứng chính xác thép AISI 52100 ở độ cứng 62 HRC với dụng cụ CBN. Chen [8] cũng công bố khi nghiên cứu thực nghiệm tiện cứng thép bằng dụng cụ CBN, lực hướng kính có giá trị lớn nhất trong ba thành phần lực cắt. Để cải thiện hiệu quả chung của công nghệ Hình 2. Thiết bị đo lực PTNKĐ-ĐL tiện cứng, cần thiết phải có một sự hiểu biết TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM hoàn chỉnh về quá trình. Với mục tiêu như Với mục tiêu đơn giản hóa quá trình, thí vậy, nghiên cứu này tập trung vào phân tích nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số ảnh hưởng của các nhân tố điều kiện cắt cũng chế độ cắt đến các thành phần lực cắt được như ảnh hưởng của sự tương tác giữa chúng thực hiện theo sơ đồ cắt trực giao. Sơ đồ thí đến các thành phần lực trong tiện cứng trực nghiệm như hình 3: giao bằng phương pháp phân tích thống kê. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện vạn năng Tuda (Nhật Bản). Phôi có dạng ống, chiều dài L=80mm, đường kính 100, làm từ thép hợp kim 9XC (Nga), tôi thể tích đạt độ cứng HRC 52-55 (hình1). Thành phần hóa học của vật liệu phôi cho trong bảng 1. Dụng cụ cắt dùng trong thí nghiệm là mảnh CBN Hình 3. Sơ đồ thí nghiệm tiện cứng trực giao đặc hình tam giác, ký hiệu TNGN110308E (SECO-Thụy Điển). Bán kính mũi dao r=0,1, Các nghiên cứu đã chứng tỏ quan hệ phụ chiều dày s=3,18 (hình 2). Thân dao của thuộc giữa lực cắt và các thông số chế độ cắt r p q SECO ký hiệu CTFNR2525M11 hợp với là quan hệ hàm số mũ có dạng: F= Cv t s (1) mảnh dao để tạo thành góc trước  = -60, góc Trong trường hợp không xét đến tương tác sau  = 60. kép giữa các biến thì C, r, p, q là các hằng số. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 Để tuyến tính hóa, logarit hai vế, hàm biểu Hình 5 là đồ thị ảnh hưởng của các nhân tố diễn quan hệ phụ thuộc giữa lực cắt vào chế vận tốc cắt v, lượng chạy dao s và tương tác độ cắt sẽ là: lnF=lnC+rlnv+plnt+qlns (2) giữa chúng đến các thành phần lực cắt Fz và Với sơ đồ cắt trực giao như hình 3, chiều sâu Fx trong tiện cứng trực giao. Phân tích cắt t không thay đổi và thành phần lực hướng phương sai của các thành phần lực cắt như trong bảng 4. kính Fy sẽ được loại bỏ. Các thí nghiệm được qui hoạch theo kế hoạch bậc một hai nhân tố ở hai mức yếu tố như trong bảng 2. Ngoài 4 điểm thí nghiệm cần thực hiện theo qui hoạch còn có các thí nghiệm được thực hiện song song tại tâm. Mỗi thí nghiệm được thực hiện tương ứng với chiều dài cắt L=15mm theo a) b) phương dọc trục ở chiều sâu cắt cố định là 3mm. Các dữ liệu ghi được như trong hình 4 cho thấy lực cắt tương đối ốn định trên suốt chiều dài cắt chứng tỏ rung động là không đáng kể. Kết quả thí nghiệm được tổng hợp 4 3,3903 1,4974lnv 6,6020 trong bảng 3. Fz  3,719.10 v s c) d) Bảng 2 Các thông số cắt và các mức giá trị Vận tốc cắt Lượng chạy dao Mức yếu tố v (m/p) s (mm/v) -1 75 0.09 +1 245 0.12 0 160 0.105 e) f) Hình 5. Ảnh hưởng của các nhân tố v và s và tương tác giữa chúng đến các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao Bảng 4. Phân tích phương sai của các thành phần lực cắt trong tiện cứng trực giao Hình 4. Biến thiên của các thành phần lực cắt ở a) n=330vg/ph; s=0,12 mm/vg; b) n=770vg/ph; s=0,12mm/vg; Bảng 3. Kết quả thí nghiệm xác định các thành phần lực cắt Nhân tố Lực cắt Thí v s nghiệm F (N) F (N) (m/p) (mm/vg) z x Mô hình phân tích hồi qui xác định giá trị lực 1 75 0,09 1199.41 297.35 cắt trong hệ tọa độ logarit sau khi loại trừ các 2 245 0,09 894.85 267.09 hệ số không có nghĩa có dạng như sau: 3 75 0,12 1153.09 337.03 Lực F : $y7,0509  0,1078 x  0,1275 x x (3) 4 245 0,12 1432.56 417.85 z 2 1 2 $ 5 160 0,105 1362.48 351.48 Lực Fx: y5,7844  0,1078 x2  0,0806 x 1 x 2 (4) 6 160 0,105 1287.28 376.02 Mô hình hoàn toàn tương hợp với hệ thống 7 160 0,105 1311.52 361.33 thực nghiệm khi thỏa mãn tiêu chuẩn Fisher: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN F<Fb ; với Fb là giá trị chuẩn số Fisher tra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 bảng ở mức có nghĩa α=0,05, bậc tự do dư ưu thế hơn so với vận tốc cắt. Bên cạnh đó f1=1 và bậc tự do lặp f2=2: Fb=18,5; F là giá tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao trị thống kê Fisher của các thành phần lực cắt: có ảnh hưởng đáng kể đến sự biến thiên của Fz=1,7203 ; Fx=3,4861. Giá trị xác suất P của các thành phần lực cắt. Điều này cho phép các nhân tố v, s và tương tác giữa chúng đều xác định được vùng gia công phù hợp của vật lớn hơn 0,05 chứng tỏ các hệ số của chúng liệu phôi và dụng cụ. Giá trị của các thành trong phương trình hồi qui là có nghĩa và phần lực tăng khi tăng giá trị các thông số của chúng có ảnh hưởng đến các thành phần lực chế độ cắt. Trong nghiên cứu này, giá trị của cắt. Phương trình hồi qui với các biến thực: thành phần lực cắt tiếp tuyến luôn lớn hơn nhiều so với lực ăn dao, không phụ thuộc vào (5) điều kiện cắt. Nghiên cứu này còn có thể làm cơ sở để phân tích tính toán nhiệt và ứng suất (6) trong quá trình gia công. Phương pháp phân tích nghiên cứu đề xuất cũng có thể mở rộng Mặt hồi qui của hàm biểu diễn lực cắt theo hiệu quả cho các quá trình cắt khác. các thông số vận tốc cắt v và lượng chạy dao s như trong hình 6. Phân tích mặt hồi qui cho TÀI LIỆU THAM KHẢO thấy rõ tác dụng tương tác giữa các biến ảnh [1]. Huang Y, Chou Kevin Y, Liang SY. CBN tool hưởng đến các giá trị lực cắt. Trên cả hai đồ wear in hard turning: a survey on research thị, lượng chạy dao s có ảnh hưởng lớn nhất progresses. Int J Adv Manuf Technol 2006;35(5– đến lực cắt, tiếp theo là ảnh hưởng của tương 6):443–53. 2,1426 0,9463lnv 3,6504 [2]. Lahiff C, Gordon S, Phelan P. PCBN tool tácF xgiữa 0,0837 lượng chạy v dao s và vận tốc cắt. Vận tốc cắt v có ảnh hưởng ít hơn. Phân tích hình wear modes and mechanisms in finish hard ảnh mặt hồi qui hoàn toàn phù hợp với phân turning. Robot Comput Integr Manuf 2007;23(6):638–44. tích phương sai của các thành phần lực cắt. [3]. Nakayama K, Arai M, Kanda T. Machining characteristics of hard materials. Ann CIRP 1988;37(1):89–92. [4]. Strafford KN, Audy J. Indirect monitoring of machinability in carbon steels by measurement of cutting forces. J Mater Process Technol 1997;67(1–3):150–6. [5]. Remadna M, Rigal JF. Evolution during time of tool wear and cutting force in the case of hard turning with CBN inserts. J Mater Process Technol 2006;178:67–75. Hình 6. Mặt hồi qui và đồ thị đường mức của các [6]. Arsecularatne JA, Zhang LC, Montross C, thành phần lực cắt Fz (a) và Fx (b) Mathew P. On machining of hardened AISI D2 steel with PCBN tools. J Mater Process Technol KẾT LUẬN 2006;171(2):244–52. Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của các [7]. Huang Y, Liang SY. Modeling of cutting thông số chế độ cắt đến các thành phần lực forces under hard turning conditions considering cắt trong tiện cứng trực giao đã được trình tool wear effect. Trans ASME J Manuf Sci Eng bày. Nghiên cứu được thực hiện trên phôi 2005;127(2):262–70. thép 9XC với dụng cụ cắt CBN. Kết quả phân [8]. Chen W. Cutting forces and surface finish tích phương sai và phân tích hồi qui chứng tỏ when machining medium hardness steel using rằng mô hình mô tả lực cắt có thể dự đoán các CBN tools. Int J Mach Tools Manuf giá trị lực cắt với độ tin cậy là 95%. Mối liên 2000;40(3):455–66. hệ giữa các thông số cắt và hiệu quả quá trình cắt thông qua lực cắt được được biểu diễn bằng mô hình hàm số mũ. Phân tích phương sai các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng của lượng chạy dao đến lực cắt chiếm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 Phan Quang Thế và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 67 - 71 ABSTRACT THE EFFECT OF CUTTING CONDITION ON CUTTING FORCES IN ORTHOGONAL HARD TURNING 9XC STEEL WITH CBN TOOLS Phan Quang The, Nguyen Thi Quoc Dung*, Hoang Minh Phuc Thainguyen University of Technology - TNU This paper presents an experimently study of the effects of cutting speed and feed rate on the cutting force components in the orthogonal turning. The solid CBN inserts with high containt of CBN were used in hard turning of the 9XC steel tube. Two factors cutting speed and feed rate with two levels were performed. In the cutting process, force components were measured. Analysis of variances for results showed that three factors: cutting speed, feed rate and their interaction had influences on value of forces. Among them, speed rate has the largest effect and cutting speed has the lower effect compared with the interaction between cutting speed and speed rate. Key words: Hard turning, cutting forces, cutting tool, analysis of variance, othogornal hard turning * Tel: 0915308818; Email : quocdung@tnut.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71