Đang tải... (xem toàn văn)
Xác định trường nhiệt độ trong dụng cụ pcbn khi tiện cứng trực giao
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆPLUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬTNGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁYXÁC ĐỊNH TRƯỜNG NHIỆT ĐỘTRONG DỤNG CỤ PCBNKHI TIỆN CỨNG TRỰC GIAONgười HD khoa học : PGS.TS. Phan Quang ThếHọc viên : Hoàng Minh PhúcThái Nguyên 2009Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Chế tạo máyHDKH: PGS.TS. Phan Quang Thế Lớp K10 CTM Học viên: Hoàng Minh Phúc2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐH KT CÔNG NGHIỆPCỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc--------------o0o-------------THUYẾT MINHLUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬTĐỀ TÀI"XÁC ĐỊNH TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG DỤNG CỤ PCBNKHI TIỆN CỨNG TRỰC GIAO"Người HD khoa học : PGS.TS. Phan Quang ThếHọc viên : Hoàng Minh PhúcChuyên ngành : Công nghệ chế tạo máyLớp : CHK10 CN CTMNgày giao đề tài : Ngày 14 tháng 02 năm 2009Ngày hoàn thành : Ngày tháng năm 2009Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Chế tạo máyHDKH: PGS.TS. Phan Quang Thế Lớp K10 CTM Học viên: Hoàng Minh Phúc3LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan những kết quả có được trong luậnvăn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn củathầy giáo PGS.TS Phan Quang Thế. Ngoài phần tài liệutham khảo đã được liệt kê, các kết quả và số liệu thựcnghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trongbất cứ công trình nào khác.Thái Nguyên, tháng 11 năm 2009Người thực hiệnHoàng Minh PhúcSố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Chế tạo máyHDKH: PGS.TS. Phan Quang Thế Lớp K10 CTM Học viên: Hoàng Minh Phúc4MỤC LỤCTrangPHẦN MỞ ĐẦU101. Tính cấp thiết của đề tài 102. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 123. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 133.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài 133.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 134. Phương pháp nghiên cứu 13NỘI DUNG ĐỀ TÀIChương 1. Bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại141. Qúa trình cắt và tạo phoi 142. Lực cắt khi tiện 182.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 182.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 193. Nhiệt và trường nhiệt độ trong cắt kim loại 213.1. Khái niệm chung 213.2. Các nguồn nhiệt trong cắt kim loại 243.2.1. Nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất243.2.2. Nhiệt sinh trên mặt trước (QAC) 253.2.3. Nhiệt sinh trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD)263.3. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt 273.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công. 273.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công. 283.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dao. 293.4. Các phương pháp xác định nhiệt cắt 293.5. Trường nhiệt độ trong dụng cụ 41Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Chế tạo máyHDKH: PGS.TS. Phan Quang Thế Lớp K10 CTM Học viên: Hoàng Minh Phúc53.5.1. Phương pháp thực nghiệm xác định trường nhiệt độ 413.5.2. Phương pháp lý thuyết xác định trường nhiệt độ 423.5.3. Đặc điểm và các nhân tố ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độtrong dụng cụ42Chương 2. Phương pháp phần tử hữu hạn441. Khái niệm chung. 45 1.1. Phương pháp phần tử hữu hạn 45 1.2. Trình tự của bài toán sử dụng phương pháp 45 1.3. Phạm vi ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn 452. Phần tử và các hàm gần đúng 473. Phần tử tam giác cho bài toán truyền nhiệt hai chiều 494. Phần mềm ANSYS 50 4.1. Giới thiệu về phần mềm ANSYS 50 4.2. Các mô đun 51 4.3. Sơ đồ khối giải bài toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS 52Chương 3: Xác định trường nhiệt độ trong dụng cụ PCBNkhi tiện cứng trực giao531. Mô hình và tính nhiệt sinh ra khi tiện trực giao 54 1.1. Tính nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất 54 1.2. Tính nhiệt sinh ra trên vùng mặt trước 54 1.3. Tính nhiệt trong vùng ma sát trượt giữa mặt sau của dụng cụvới bề mặt gia công56 2. Phương trình truyền nhiệt trong dụng cụ cắt 56 2.1. Thành lập phương trình truyền nhiệt sử dụng phương phápphần tử hữu hạn56Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Chế tạo máyHDKH: PGS.TS. Phan Quang Thế Lớp K10 CTM Học viên: Hoàng Minh Phúc6 2.2. Tìm trường nhiệt độ trên mặt cắt khảo sát bằng phươngpháp phần tử hữu hạn57 2.3. Các thông số xác định từ thực nghiệm 61 2.3.1. Yêu cầu với hệ thống thí nghiệm 612.3.2. Mô hình thí nghiệm 62 2.3.3. Thíêt bị thí nghiệm 63 2.3.4. Chế độ cắt thí nghiệm 66 2.3.5. Thí nghiệm đo lực cắt 66 2.3.6. Xác định góc cắt 67 2.4. Xác định trường nhiệt độ và vẽ Profile trường nhiệt độ 672.4.1. Sơ đồ chia lưới 68 2.4.2. Tính toán nhiệt độ trên mặt trước 69 2.4.3. Xác định điều kiện biên 692.4.4. Xác định trường nhiệt độ và vẽ Profiles nhiệt độ bằng phần mềm ANSYS693. Phân tích kết quả 71Chương 4 : Kết luận chung của luận văn và hướng nghiên cứutiếp theo của đề tài72Tài liệu tham khảo 73Phụ lụcSố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lun vn thc s Chuyờn ngnh Ch to mỏyHDKH: PGS.TS. Phan Quang Th Lp K10 CTM Hc viờn: Hong Minh Phỳc7DANH MC CC Kí HIU V CC CH VIT TTPCBN: Polycrystal Cubic Boron NitrideCBN: Cubic Boron NitridePPPTHH: phng phỏp phn t hu hnPTVPTP: phng trỡnh vi phõn ton phnPTVPRP: phng trỡnh vi phõn riờng phn: ứng suất tiếp giới hạn thực trên bề mặt tiếp xúc: ứng suất pháp trên bề mặt tiếp xúc.A: diện tích tiếp xúc danh nghĩa của hai bề mặt.B: là hằng số đặc trưng cho tính chất tiếp xúc của vật liệu.(x): ứng suất pháp trên mặt trước của dụng cụ cắt.(x): ứng suất tiếp trên mặt trước cuả dụng cụ cắt.: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước.l: chiều dài tiếp xúc giữa hoi và mặt trước.Vc: vận tốc cắt.a1: chiều dày phoi trước biến dạnga2: chiều dày phoi sau khi cắt.t1: chiều sâu cắt khi cắt trực giaot2: chiều sâu cắt sau khi biến dạng: góc tạo phoi.: góc trước.t: chiều sâu cắt.: góc sau.s: ứng suất tiếp giới hạn của các lớp phoi tiếp xúc trên mặt trước.V(x): vận tốc của lớp phoi dưới cùng trên mặt trước.Vp: vận tốc của khối phoi.b: chiều rộng cắt.AB: ứng suất pháp tuyến trên mặt phẳng trượt.Fc: lực cắt theo phương vận tốc cắt.Ft: lực cắt theo phương vuông góc với vận tốc cắt.Fs: lực tác dụng trên mặt phẳng trượt.As: diện tích của vùng mặt phẳng trượt.Vs: vận tốc tách phoi theo phương mặt phẳng trượt.VLGC: vật liệu gia công.VLDC: vật liệu dụng cụ.: góc giữa mặt phẳng trượt và hợp lực R trên mặt phẳng trượt.Q: tổng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt.QAB = Q1: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt.QAC = Q2: nhiệt sinh ra trên mặt trước.QAD = Q3: nhiệt sinh ra trên mặt sau.Qphoi: nhiệt truyền vào phoi.Qphôi: nhiệt truyền vào phoi.Qdao: nhiệt truyền vào phoi.S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Lun vn thc s Chuyờn ngnh Ch to mỏyHDKH: PGS.TS. Phan Quang Th Lp K10 CTM Hc viờn: Hong Minh Phỳc8Qmt: nhiệt truyền vào môi trường xung quanh.: trọng lượng riêng của vật liệu.C: nhiệt dung riêng.: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi.q2: tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt trước.q21: tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt trước do ma sát của phoi với mặttrước.q22: tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt trước do biến dạng dẻo của các lớpphoi sát mặt trước.:mttốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước.t: Chiều dày của vùng biến dạng thứ hai.K: hệ số dẫn nhiệtq3: tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt sau.s: lượng chạy dao.S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Chế tạo máyHDKH: PGS.TS. Phan Quang Thế Lớp K10 CTM Học viên: Hoàng Minh Phúc9DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊTrangHình 1.1- Sơ đồ miền tạo phoi 14Hình 1.2- Miền tạo phoi 16Hình 1.3- Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau 16Hình 1.4- Sơ đồ Tính góc trượt (góc cắt) 16Hình 1.5- Quá trình hình thành phoi khi tiện cứng 18Hình 1.6- Sơ đồ nguồn gốc của lực cắt 19Hình 1.7- Quan hệ giữa lực cắt và góc trước 20Hình 1.8- Ảnh hưởng của lượng chạy dao và độ cứng phôi đến lực cắt 20Hình 1.9- Ảnh hưởng của bán kính mũi dao và góc trước đến lực cắt 21Hình 1.10- Sơ đồ ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại 23Hình 1.11- Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường 24Hình 1.12- Đường cong thực nghiệm xác định tỷ lệ nhiệt truyền vào phôi 25Hình 1.13- Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn 27Hình 1.14 - Dụng cụ do nhiệt độ 30Hình 1.15 - Cặp ngẫu nhiệt (pin nhiệt điện) 31Hình 1.16 - Sơ đồ đo nhiệt cắt bằng pin nhân tạo 32Hình 1.17 - Đo nhiệt cắt bằng pin bán nhân tạo 32Hình 1.18 - Đo nhiệt cắt bằng pin tự nhiên 1 dao 33Hình 1.19 - Hiện tượng ngẫu nhiệt ký sinh 33Hình 1.20 - Đo nhiệt cắt bằng pin tự nhiên 2 dao 34Hình 1.21 - Đo nhiệt cắt theo nguyên lý quang học 34Hình 1.22 - Sơ đồ mạch điện để đo nhiệt cắt bằng tế bào quang 35Hình 1.23 - Phương pháp chụp ảnh 35Hình 1.24 - Phương pháp đo nhiệt bằng lazer 35Hình 1.25 - Phân bố nhiệt trên mặt trước dao 37Hình 1.26 - Phân bố nhiệt trên mặt sau dao 37Hình 1.27 - Quan hệ giữa θ và v 39Hình 1.28 - Quan hệ giữa chiều dày cắt 40Hình 1.29 - Quan hệ giữa nhiệt cắt 40Hình 2.1 - Các dạng phần tử cơ bản 47Hình 2.2- Các dạng phần tử một chiều 47Hình 2.3 -Các dạng phần tử hai chiều 48Hình 2.4 -Các dạng phần tử ba chiều 48Hình 2.5-Phần tử tam giác cho bài toán truyền nhiệt 49Hình 2.6 -Sơ đồ khối giải bài toán kỹ thuật bằng phần mềm ANSYS 52Hình 3.1 -Sơ đồ cắt và mô hình tiện trực giao 54Hình 3.2- Sơ đồ phân bố ứng suất tiếp tính trên mặt trước 55Hình 3.3- Mô hình thí nghiệm tiện trực giao 62Hình 3.4 - Máy tiện Tuda (Nhật Bản). 63Hình 3.5-Mảnh dao TNGN 110308E loại CBN100 63Hình 3.6- Các thông số của CBN100 64Hình 3.7- Thân dao CTFNR2525M11 (hãng SECO) 64Hình 3.8 - Phôi thép 9CrSi đã qua nhiệt luyện 65Hình 3.9 -Thiết bị đo lực Kisler: (a) - Lực kế; (b) Bộ chuyển đổi 66Hình 3.10- Mặt khảo sát để xác định trường nhiệt độ trong mảnh CBN 68Hình 3.11- Sơ đồ chia lưới mảnh CBN 68Hình 3.12- Trường nhiệt độ trong mảnh PCBN 70Hình 3.13- Giá trị nhiệt độ tại một số nút 70Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Chế tạo máyHDKH: PGS.TS. Phan Quang Thế Lớp K10 CTM Học viên: Hoàng Minh Phúc10PHẦN MỞ ĐẦU1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀIBiến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, vùng bíên dạng thứhai và ma sát giữa VLGC với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làmtăng nhiệt độ ở vùng gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây pháhuỷ bộ phận đến toàn bộ khả năng làm việc của lưỡi cắt. Nhiệt cắt và nhiệt độ trongdụng cụ tăng khi cắt với vận tốc cao và lượng chạy dao lớn hoặc vật liệu gia côngcó nhiệt độ nóng chảy cao là nguyên nhân làm giảm năng xuất cắt gọt.Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khoảng 98% - 99% công suất cắt biến thànhnhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt), mặt trước và mặtsau. Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường với tỉ lệ khácnhau tuỳ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và môitrường. Thực tế vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ lệ này.Tiện cứng (hard turning) là thuật ngữ dùng để chỉ phương pháp gia công cácchi tiết có độ cứng cao (thường là các chi tiết đã qua nhiệt luyện đạt độ cứng 45 - 70HRC). Với độ cứng vật liệu gia công cao như vậy đòi hỏi công cắt phải lớn, do đónhiệt cắt sinh ra rất lớn, nên mòn và cơ chế mòn của dụng cụ khi tiện cứng có sựkhác biệt rất lớn so với tiện thông thường. Vì vậy, yêu cầu về dụng cụ cắt cao hơnso với tiện thông thường. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vậtliệu đã tạo ra các loại vật liệu dụng cụ cắt có độ cứng cao đáp ứng được điều kiệngia công khi tiện cứng như kim cương nhân tạo (CVD), dụng cụ phủ PVD và CVD,đặc biệt là vật liệu siêu cứng Nitrit Bo lập phương đa tinh thể PCBN ( thường viếttắt là CBN - Cubic Boron Nitride) ,vật liệu CBN được sử dụng nhiều trong tiệncứng do có độ cứng rất cao, chỉ sau kim cương, nhưng khác với kim cương CBN cótính ổn định và độ bền nhiệt cao hơn, đặc biệt nó có thể tạo dụng cụ với hình dángvà kích thước khác nhau, tiện cứng đã được ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất.Trong nhiều trường hợp, tiện cứng được dùng làm nguyên công gia công tinh lầncuối thay thế cho nguyên công mài. Sử dụng tiện cứng thay cho mài ở nguyên cônggia công tinh có những ưu điểm sau:Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn . 52Chương 3: Xác định trường nhiệt độ trong dụng cụ PCBNkhi tiện cứng trực giao5 31. Mô hình và tính nhiệt sinh ra khi tiện trực giao 54 1.1. Tính nhiệt sinh. NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆPLUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬTNGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁYXÁC ĐỊNH TRƯỜNG NHIỆT Đ TRONG DỤNG CỤ PCBNKHI TIỆN CỨNG TRỰC GIAONgười
