Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại LỰC CẮT VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ Thực hiện : Phạm Minh Tâm Vũ Quang Lương Lớp : CH-CNCK 08-10 1. 1. Khái niệm lực cắt Khái niệm lực cắt 2. 2. Các mô hình xác định lực cắt Các mô hình xác định lực cắt 3. 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt 4. Ứng dụng trong tính toán thiết kế 5. Các kết luận và định hướng nghiên cứu Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 1.Khái niệm lực cắt Trong quá trình cắt xuất hiện các lực tác dụng lên phôi và dụng cụ cắt, được gọi là lực cắt. Để tính công suất truyền động và độ cứng vững của máy, độ bền và độ cứng vững của dụng cụ và đồ gá cần phải tính toán được các lực này. Để tính toán các lực trên, có thể thực hiện theo hai phương pháp ⇒ Dựa vào các quá trình lý thuyết trên cơ sở phân tích quá trình cắt phôi như một trong những trường hợp đặc biệt của biến dạng dẻo. ⇒ Xác định bằng phương pháp thực nghiệm Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 2. Các mô hình xác định lực cắt Để điều khiển gia công một cách kinh tế nhất và đảm bảo yêu cầu chính xác, ta xây dựng các mô hình của các đại lượng đặc trưng xuất hiện trong và sau quá trình cắt. Dựa trên mô hình lực tạo phoi ta xác định được yêu cầu về năng lượng và tính chất biến dạng của hệ thống công nghệ. ⇒ Dựa trên các tiên đề rồi dùng phương pháp diễn giải để mô tả cơ chế tác động cơ lí qua lại của quá trình tạo phoi từ đó rút ra các biểu thức giải tích mô tả các đại lượng xuất hiện trong và sau quá trình cắt. ⇒ Dựa trên nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với xử lí số liệu theo phương pháp thống kê để rút ra mô hình. Phương pháp này đảm bảo tính kinh tế trong quá trình nghiên cứu cũng như đạt được độ chính xác cao và dễ triển khai áp dụng vào sản xuất. Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Mô hình lực tạo phoi. Hình 1. Mô hình lực tạo phoi F NMT – lực pháp tuyến ở mặt trước của dao; F msMT – lực ma sát ở mặt trước của dao; F NMS – lực pháp tuyến ở mặt sau dao; F msMS – lực ma sát ở mặt sau dao; F r – Lực cản ở cung tròn của mép cắt. Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Mô hình mạng lưới SPH (Smooth Particle Hydrodynamics methods) Hình 1. Ví vụ về mô hình mạng lưới SPH Hình 2. Ba vùng vật liệu khi cắt kim loại Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Hình 5. Kết quả từ phân tích SPH, biểu diễn các phần biến dạng dẻo của vật liệu khi cắt. Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Mô hình FEM (Finite Element Method) Sử dụng phần mềm LS-DYNA có thể tính toán lực cắt theo 2 hướng dựa trên mô hình 3D, cũng có thể dự đoán sự hình thành phoi trong quá trình cắt. Hình 6. Mô hình FEM Thực hiện 2 thí nghiệm:  Trong phần này mô hình và phân tích độ nhạy cho mô hình này được mô Trong phần này mô hình và phân tích độ nhạy cho mô hình này được mô tả. Các mô hình FEM cắt được chuẩn bị để phân tích trong các mã FEM LS- tả. Các mô hình FEM cắt được chuẩn bị để phân tích trong các mã FEM LS- DYNA. DYNA.  Mục đích Mục đích là để có được một mô hình với một thời gian tính toán càng là để có được một mô hình với một thời gian tính toán càng ngắn càng tốt và có khả năng dự báo lực đầu ra trong tính toán so sánh ngắn càng tốt và có khả năng dự báo lực đầu ra trong tính toán so sánh với lực đo từ các thử nghiệm, và đồng thời dự đoán một hình phoi thực tế. với lực đo từ các thử nghiệm, và đồng thời dự đoán một hình phoi thực tế.  Các mô hình FEM được sử dụng là một mô hình 3D rắn nơi đầu ra là lực Các mô hình FEM được sử dụng là một mô hình 3D rắn nơi đầu ra là lực kiểm tra theo hai hướng: hướng lực cắt và hướng lực đẩy. Phân tích này kiểm tra theo hai hướng: hướng lực cắt và hướng lực đẩy. Phân tích này được thực hiện với một tốc độ không đổi của các công cụ theo hướng x, được thực hiện với một tốc độ không đổi của các công cụ theo hướng x, như trong hình. 6. Công cụ này có hình học tương tự như công cụ được sử như trong hình. 6. Công cụ này có hình học tương tự như công cụ được sử dụng trong các thí nghiệm. Một phân tích so sánh giữa các số và những thí dụng trong các thí nghiệm. Một phân tích so sánh giữa các số và những thí nghiệm được mô tả trong Phần cuối. nghiệm được mô tả trong Phần cuối.  Trên cơ sở khảo sát văn học được chọn để thực hiện các phân tích như mô Trên cơ sở khảo sát văn học được chọn để thực hiện các phân tích như mô tả trong đây. Một số giả định đã được thực hiện để giảm bớt kích thước mô tả trong đây. Một số giả định đã được thực hiện để giảm bớt kích thước mô hình và thời gian tính toán, cho phép phát triển một phương pháp hữu ích: hình và thời gian tính toán, cho phép phát triển một phương pháp hữu ích: Phân tích lưới phân tử Trong những phân tích kích thước lưới ảnh hưởng lực đầu ra được kiểm tra. Các phân tích lưới thực hiện là một phân tích ảnh hưởng kích thước lưới trên biến động lực lượng đầu ra. Các phân tích thực hiện không phải là một nghiên cứu hội tụ và để kiểm tra các ảnh hưởng kích thước lưới với lực đầu ra , hai phân tích khác nhau đã được thực hiện: - Phân tích lưới dạng 1 : Lưới kích thước trên phôi, nơi mà các dụng cụ đã cùng các yếu tố trên độ dày như phôi Khi cắt phôi bằng dụng cụ có cùng phần tử trong mạng tinh thể. Ví dụ: Khi cắt với dụng cụ và chi tiết có cùng 8 phần tử (mịn) hoặc 4 phần tử (thô). [...]... mặt lực cắt tác dụng lên vật liệu chống lại quá trình tách phoi, mặt khác lực cắt do các dụng cụ cắt tác dụng lên lớp phoi và bề mặt cắt Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 5 Các kết luận và định hướng nghiên cứu Việc nghiên cứu lực cắt trong quá cắt gọt kim loại phức tạp và có nhiều yếu tố ảnh hưởng Tuy nhiên, chúng ta có thể phân tích và tính toán lực cắt bằng cách sử dụng các mô hình lực cắt kết... của góc Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 3.6.4 Ảnh hưởng góc nghiêng lưỡi cắt λ tới lực cắt Hình dưới là các đường cong mô tả quan hệ sự phụ thuộc này: ta thấy Pz tăng khi λ > 100 Lực Py tăng, còn lực Px giảm khi góc λ tăng Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 3.6.5 Ảnh hưởng dung dịch trơn nguội tới lực cắt Nhiều nghiên cứu cho thấy sử dụng dung dịch trơn nguội cho phép giảm lực cắt xuống... tiêu hao khi cắt, chúng ta cũng phải biết được lực cắt Công việc này sẽ giúp ta tính toán được các hao tổn trong khi gia công và tìm các biện pháp để tăng năng suất gia công Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Những nhận thức lý thuyết về lực cắt kim loại tạo khả năng chính xác hóa lý thuyết quá trình cắt Trong trong thái cân bằng năng lượng quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng phải.. .Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại -Khi cắt phôi bằng dụng cụ có cùng phần tử trong mạng tinh thể Ví dụ: Khi cắt với dụng cụ và chi tiết có cùng 8 phần tử (mịn) hoặc 4 phần tử (thô) Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Hình 8 Các lực mô phỏng, các lực cắt Fx và lực đẩy lực lượng FZ., Để phân tích với lưới mịn và phân tích với lưới thô, thời gian khoảng 250-880 μs Biểu đồ lực cắt theo... lực cắt có thể dùng các công thức: Pz = c1ts0,75 Px = c2t1,2s0,55 Py = c3t0,9s0,75 c1,c2,c3 là các hằng số phụ thuộc vật liệu gia công Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 3.3 Ảnh hưởng của vật liệu gia công tới lực cắt Khi gia công, kim loại bị biến dạng mạnh, lực cắt chịu ảnh hưởng của lực ma sát của phoi và vật liệu gia công với mặt trước của dao Mặt khác trong quá trình gia công kim loại vùng cắt. .. chính của sự biến động trong lực lượng đầu ra Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại - Phân tích lưới dạng 2: Lưới kích thước trên phôi, nơi dụng cụ có thêm các yếu tố trên bề dày hơn phôi Ví dụ: Khi cắt với dụng cụ có 16 phần tử đối với phôi có 4 phần tử và 1 phần tử Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Hình 10 Phân tích 2: các lực lượng mô phỏng các lực cắt Fx và lực đẩy FZ, để phân tích với một... rằng trong quá trình cắt thì lực cắt có thể thay đổi đáng kể; ví dụ như khi cắt đứt lực cắt sẽ tăng từ ngoài vào trong vì càng ở gần tâm điều kiện thoát phoi càng khó khăn Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 4 Ứng dụng trong tính toán, thiết kế Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý nghĩa hết sức cả lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những nhận thức về mặt lực cắt rất... của vật liệu gia công cũng như độ bền kéo δB, độ cứng HB và một số tính chất cơ lý khác tới lực cắt Pz Thực tế để tính Pz thường dùng các công thức: Pz = cVδBq Pz = cVHBq trong đó q=0,5; cV: hệ số phụ thuộc vật liệu gia công Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 3.4 Ảnh hưởng của vật liệu dao tới lực cắt Ảnh hưởng này tồn tại là do có lực ma sát xuất hiện giữa vật liệu gia công và vật liệu dao Lực cắt. .. vào vật liệu theo mức độ khác nhau; cùng một tốc độ cắt nhưng lực cắt đơn vị khi gia công bằng dao thép gió P18 lơn hơn lực cắt đơn vị khi gia công bằng dao hợp kim T5K10 hoặc T48 Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 3.5 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt Trong vùng biến đổi của tốc độ cắt, khi co rút phoi giảm thì lực cắt cũng giảm và ngược lại Biểu đồ dưới thể hiện sự phụ thuộc của lực cắt Pz... δi k2i=-tgδi log a 1 Hình 2 Sự phụ thuộc của lực cắt đơn vị ki vào chiều dày phoi a Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 3.2 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và lượng chạy dao tới lực cắt Lực cắt Pz tăng tỷ lệ với bề rộng cắt b hoặc chiều sâu cắt t và với mức độ thấp hơn đối với chiều dày cắt a và lượng chạy dao s Lực cắt đơn vị p phụ thuộc vào chiều sâu cắt t và lượng chạy dao s theo công thức sau: p=Pz/f . sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại 1.Khái niệm lực cắt Trong quá trình cắt xuất hiện các lực tác dụng lên phôi và dụng cụ cắt, được gọi là lực cắt. Để. cắt kim loại Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Hình 5. Kết quả từ phân tích SPH, biểu diễn các phần biến dạng dẻo của vật liệu khi cắt. Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Mô hình. quá lớn. Điều này là khác biệt nhất cho lực đầu ra, cho lực đẩy FZ. Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Từ hai thí nghiệm trên ta có sơ đồ tổng quát: Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại Khi