HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ẢNH HƢỞNG THƠNG SỐ HÌNH HỌC CỦA DAO TIỆN ĐẾN LỰC CẮT VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG GIA CÔNG TỐC ĐỘ CAO THÉP HỢP KIM SKD11 Nguyễn Đức Nam1, Hồng Cơng Học1, Võ Huy Lâm2 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung TĨM TẮT: Cải tiến cơng nghệ, nâng cao suất tuổi thọ dụng cụ cắt yêu cầu cấp thiết công nghiệp chế tạo Để đáp ứng vấn đề gia cơng tốc độ cao ngày trở nên quan trọng ứng dụng q trình gia cơng cắt gọt kim loại, đặc biệt chi tiết thép hợp kim có tính dẫn nhiệt thấp Hiệu q trình gia công tốc độ cao lượng vật liệu cắt gọt tăng lên mà chất lượng sản phẩm cải thiện đáng kể, thời gian gia công rút ngắn Tuy nhiên, học trình gia cơng phức tạp khó kiểm tra q trình thực nghiệm Trong gia cơng tốc độ cao phân bố nhiệt độ lực cắt q trình gia cơng có khác biệt so với gia công truyền thống Sự phân bố nhiệt độ lực cắt vùng gia công phức tạp định đến chất lượng bề mặt gia công tuổi thọ dụng cụ cắt Do đó, nghiên cứu mô phân bố nhiệt độ lực cắt gia công tốc độ cao quan trọng Các kết mô thực với thơng số hình học khác dụng cụ cắt Các kết mơ cho thấy q trình hình thành phoi phân bố nhiệt độ với góc trước khác dụng cụ cắt Kết mô cho thấy rằng, với lưỡi cắt insert có góc trước γ = -6° nhiệt độ lớn vùng gia cơng đạt đến 13000 C với lưỡi cắt có góc trước γ = 6° nhiệt độ lớn 11800 C Từ khóa: thép SKD11, gia cơng tốc độ cao, phân tích phần tử hữu hạn, nhiệt độ, lực cắt GIỚI THIỆU Ngày nay, vật liệu làm khn độ xác gia công yêu cầu cao kỹ thuật khuôn mẫu Vật liệu dùng công nghiệp khuôn mẫu thường phải có tính cao khả chịu nhiệt cao, chịu tải trọng lớn độ cứng cao Bên cạnh đó, tiêu chuẩn quan trọng chất lượng khn dựa độ xác kích thước, hình dáng chất lượng bề mặt Nếu chất lượng sau gia cơng khơng đạt u cầu cần phải qua cơng đoạn hồn chỉnh tay Cơng đoạn đòi hỏi lượng thời gian gia cơng tương đối lớn suất thấp Một mục tiêu cơng nghiệp khn mẫu giảm thiểu loại bỏ cơng đoạn đánh bóng tay cải thiện chất lượng, giảm chi phí sản xuất thời gian Vì vậy, để giảm thiểu chi phí thời gian gia cơng gia cơng tốc độ cao nhu cầu cấp bách cần thiết Trong năm gần đây, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dựa công thức Euler công thức Lagrange phát triển để phân tích mơ q trình gia cơng Do phát triển cơng nghệ máy tính, nhà nghiên cứu ý nhiều đến mơ hình số, đặc biệt FEM Công thức Euler áp dụng nhiều mơ hình FEM sử dụng để mơ q trình cắt gọt Tuy nhiên, việc sử dụng công thức Lagrange phổ biến rộng rãi khả để mơ hình thành phoi từ giai đoạn đến trạng thái ổn định [1-4] Mặc dù công nghệ gia công tốc độ cao sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp ngành công nghiệp hàng không, ô tô công nghiệp gia công xác ứng dụng vật liệu khó cắt hợp kim chế phức tạp liên quan Trong việc cắt tốc độ cao thép hợp kim, chẳng hạn hình thành phoi, trường nhiệt độ biến dạng cao Trang 181 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM vùng gia công chưa biết rõ [5] Nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào mô q trình gia cơng để giải nhiều vấn đề phức tạp phát sinh q trình gia cơng thép hợp kim [612] Tuy nhiên, nghiên cứu mô trình hình thành phoi phân bố trường nhiệt độ, lực cắt gia công tốc độ cao thép hợp kim SKD11 hạn chế Trong báo này, mơ hình phân tích phần tử hữu hạn thiết lập để nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hình học dao đến hình thành phoi phân bố nhiệt độ, lực cắt gia cơng tốc độ cao thép SKD11 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Trong q trình gia cơng, mối quan hệ vận tốc cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao thơng số hình học dụng cụ cắt ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công tuổi thọ dụng cụ cắt (Hình 1) Quá trình gia cơng diễn tương đối phức tạp khó nhận biết xác thực nghiệm A-A Chi tiết A Lượng chạy dao α tmin Phoi tn tn B C ɣ v f Dao c) B a) A A B B tmin tn D C tm ax t F tm B-B O A E f b) d) Hình Sự hình thành phoi gia cơng tiện 2.1 Đặc tính vật liệu SKD11 lƣỡi cắt carbit vonfram Thép hợp kim SKD11 ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp sản xuất khn mẫu độ cứng khác Đặc tính vật liệu thép SKD 11 Bảng lưỡi cắt carbit vonfram Bảng Bảng Đặc tính vật liệu SKD11 Thông số Giá trị Modul đàn hồi (GPa) 208 Hệ số poisson 0.3 Tỷ trọng (kg/m ) 8400 Hệ số giãn nở nhiệt (10-6/K) 11 Trang 182 Hệ số dẫn nhiệt (w/m.K) 20.5 Nhiệt độ nóng chảy (0C) 1733 Bảng Đặc tính vật liệu lưỡi cắt insert carbit vonfram Thông số Giá trị Modul đàn hồi (GPa) 534 Hệ số poisson 0.22 Tỷ trọng (kg/m3) 11,900 Hệ số dẫn nhiệt (w/m.K) 50 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM 2.2 Mơ hình phần tử hữu hạn điều kiện biên Trong nghiên cứu này, phần trăm công suất cắt chuyển thành nhiệt giả định 90% phần công việc ma sát chuyển thành nhiệt lấy 1.0 Gia công thực nhiệt độ môi trường xung quanh giả định nhiệt độ ban đầu hai phôi công cụ 20°C Đối lưu nhiệt với môi trường xung quanh bề mặt không tiếp xúc dụng cụ cắt phôi bỏ qua KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Trong q trình mơ phỏng, dụng cụ cắt chọn có thơng số góc trước γ thay đổi từ 60 đến -60, góc sau α dao chọn 30 góc mũi dao r chọn 0,2 mm Điều kiện biên trình mô thiết lập sau: cạnh biên chi tiết gia công thiết lập ngàm cứng theo phương tọa độ; vận tốc cắt lưỡi cắt theo phương x chọn theo thông số gia công vận tốc cắt theo phương y Mơ hình mơ điều kiện biên thể Hình Trong mơ hình mơ phỏng, chiều sâu cắt thiết lập 3.5 mm vận tốc cắt 1500 m/phút Chi tiết gia công chia lưới 8000 phần tử lưỡi cắt insert giả thiết cứng tuyệt số phần tử chia lưới 207 phần tử (a) Hình Mơ hình mơ (b) 3.1 Hình dạng phoi ứng với thơng số hình học lƣỡi cắt insert Sự hình thành phoi q trình diễn nhanh chóng với tốc độ cắt cao Hình cho thấy trình hình thành phoi mơ với lưỡi cắt insert có góc trước γ = 60 Sự khác biệt hình học giai đoạn gia cơng vật liệu giai đoạn ban đầu, giai đoạn giai đoạn cắt ổn định Ở giai đoạn đầu trình gia cơng, ứng suất chảy dẻo tương đối nhỏ tập trung đầu dụng cụ cắt bề mặt gia cơng, thể Hình (a) Khi trình cắt tiếp tục dải phoi cắt hình thành, ứng suất chảy dẻo tăng lên lan khu vực hẹp, Hình (b) Hình (c) cho thấy ứng suất chảy dẻo cao thời điểm khác trình cắt xảy dọc theo giao diện dụng cụ vị trí cưa phoi Tương tự kết mô q trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert γ = 00, γ = -60 Hình Hình (c) Hình Q trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert γ = -6 Trang 183 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM (a) (b) (c) Hình Q trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert γ = (a) (b) (c) Hình Quá trình hình thành phoi ứng với góc trước lưỡi cắt insert γ = Hình Hình cho thấy hình dạng phoi thu thông số lưỡi cắt khác Trong kết mô phỏng, trường nhiệt độ phân bố khác phoi góc trước lưỡi cắt insert tăng từ γ = -6° đến γ = 6° Hình cho thấy phân bố nhiệt độ trình gia cơng với lưỡi cắt có góc trước dương (γ = 60) Khi cắt với góc (a) trước dương, chiều dài tiếp xúc phoi dụng cụ cắt nhỏ nên biến dạng nhỏ làm cho nhiệt độ phân bố thấp Trong lưỡi cắt insert có góc trước âm γ = -60 (Hình 7) chiều dài tiếp xúc phoi dụng cụ cắt lớn dẫn đến biến dạng lớn làm cho nhiệt độ phân bố cao (b) Hình Trường phân bố nhiệt độ ứng với góc trước lưỡi insert γ = Trang 184 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM (a) (b) Hình Trường phân bố nhiệt độ ứng với góc trước lưỡi insert γ = -6 3.2 Sự phân bố lực cắt Sự phân bố lực cắt gia công tốc độ cao thép SKD11 với lưỡi cắt insert thực với vận tốc cắt 1500 m/phút Sự phân bố lực cắt vùng gia cơng với góc trước lưỡi cắt insert γ = -6° γ = 6° thể Hình Hình Ảnh hưởng góc trước phân bố lực cắt thể Hình Lực cắt ban đầu tăng lên tuyến tính giai đoạn gia công ban đầu với biên độ dao động tương đối Khi phoi bắt đầu hình thành dạng cưa biên độ dao động lực tăng lên với hình thành phoi Sau q trình ổn định hết q trình gia cơng Ngồi ra, dao động lực cắt liên quan đến hình thành phoi cưa quan trọng đánh giá hiệu suất mòn dụng cụ cắt 3.3 Sự phân bố nhiệt độ Sự phân bố nhiệt độ vùng tiếp xúc phoi dụng cụ cắt thực q trình mơ Có thể thấy rõ vùng nhiệt độ cao xuất giao vùng tiếp xúc phoi (a) dụng cụ cắt với nhiệt độ lớn xuất gần vùng tiếp xúc Trong trình hình thành phoi, hầu hết lượng biến dạng chuyển thành nhiệt phoi lan truyền phoi, chi tiết dụng cụ cắt Khi trình cắt tiếp diễn, ma sát bề mặt tiếp xúc dụng cụ phoi tăng lên, tạo nhiều nhiệt áp lực tiếp xúc cao Các thơng số gia cơng có ảnh hưởng đáng kể đến phát sinh nhiệt độ phân bố nhiệt độ tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt thơng số hình học dụng cụ cắt Trong báo này, chủ yếu tập trung vào ảnh hưởng lưỡi cắt insert với góc trước khác đến phân bố nhiệt độ nhiệt độ lớn sinh q trình gia cơng Kết mơ cho thấy rằng, với lưỡi cắt insert có góc trước γ = -6° nhiệt độ lớn phoi đạt đến 13000C với lưỡi cắt có góc trước γ = 6° nhiệt độ lớn 11800C (như Hình 10) (b) Hình Phân bố lực cắt ứng với góc trước lưỡi insert γ = -6 Trang 185 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM (a) (b) 0 Hình 10 Phân bố nhiệt độ ứng với góc trước lưỡi insert : a) γ = -6 b) γ = KẾT LUẬN Dựa kết mô ảnh hưởng thơng số hình học dụng cụ cắt đến phân bố lực nhiệt độ gia cơng thép hợp kim SKD11, rút số kết luận sau: - Quá trình hình thành phoi ứng với thơng số góc trước dụng cụ cắt mô - Lực cắt ban đầu tăng lên tuyến tính giai đoạn gia công ban đầu với biên độ dao động tương đối Khi phoi bắt đầu hình thành dạng cưa biên độ dao động lực tăng lên với hình thành phoi Sau q trình ổn định hết q trình gia cơng - Với lưỡi cắt insert có góc trước γ = -6° nhiệt độ lớn đạt đến 13000C với lưỡi cắt có góc trước γ = 6° nhiệt độ lớn 11800C Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ quỹ nghiên cứu khoa học cấp sở Trường Đại học Công nghiệp TP HCM (mã số đề tài: IUH.KCK 02/2016) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Shih A Finite element simulation of orthogonal metal cutting J Eng Ind 1995; 84–93 [2] Shih A, Yang H.T.Y Experimental and finite element predictions of residual stresses due to orthogonal metal cutting Int J Numer Methods Eng 1993; 1487–1507 damage in metal cutting J Eng Manuf 1996; 233–242 [5] Sandstrom DR, Hodowany J.N Modeling the physics of metal cutting in high speed machining Machining Science and Technology, 1998; 343–353 [3] Ueda K, Manabe K Chip formation in micro cutting of an amorphous metal Ann CIRP 1992; 129–132 [6] Filice L, Umbrello D, Beccari S, Micari F On the FE codes capability for tool temperature calculation in machining processes J Mater Process Technol 2006; 286–292 [4] Maekawa K, Shirakashi T Recent progress of computer aided simulation flow and tool [7] Filice L, Micari F, Rizzuti S, Umbrello D A critical analysis on the friction modelling in Trang 186 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM orthogonal machining Int J Mach Tools Manuf 2007; 709–714 [8] Che-Haron CH, Jawaid A The effect of machining on surface integrity of titanium alloy Ti6Al4V J Mater Process Technol 2005; 188–192 [9] Che-Haron CH Tool life and surface integrity in turning titanium alloy J Mater Process Technol 2001; 231–237 [11] Umbrello D Finite element simulation of conventional and high speed machining of Ti6Al4V alloy J Mater Process Technol 2008; 79–87 [12] Calamaz M, Coupard D, Girot F A new material model for 2D numerical simulation of serrated chip formation when machining titanium alloy Ti–6Al–4V Int J Mach Tools Manuf 2008; 275–288 [10] Shaw MC, Vyzas A Chip formation in the machining of hardened steel Ann CIRP 1993; 29–33 SIMULATION STUDY ON EFFECT OF TOOL GEOMETRY TO CUTTING FORCE AND TEMPERATURE FOR HIGH SPEED CUTTING OF SKD11 STEEL ABSTRACT To Improving technology, productivity and cutting tool life is an important requirements in the manufacturing industry High speed machining is becoming more important and used in the metal cutting process, especially for low thermal conductivity alloy As a result, the amount of material cutting not only increase but also the quality of the product is improved significantly, and cutting time is reduced However, the mechanics of the machining process are complex and difficult to know by the experimental process In high-speed machining, the temperature distribution and cutting force during machining are different from traditional machining This distribution is very complex and will determine the quality of surface and tool life Therefore, studying the simulation of temperature distribution and cutting force in high-speed machining are important The simulation results are carried out with different geometric parameters of cutting tools The simulation results show that the segmented chip formation and temperature distribution results in cutting under different tool rake angles The highest temperature at the tool rake face can reach up to 13000C and 11800C as the tool rake angle are γ = -6° and γ = 6° respectively Keywords: SKD11 steel, high speed machining, FEM, temperature field, cutting force Trang 187 ... lập để nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hình học dao đến hình thành phoi phân bố nhiệt độ, lực cắt gia công tốc độ cao thép SKD11 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Trong q trình gia công, mối quan hệ vận tốc cắt, ... q trình gia cơng thép hợp kim [612] Tuy nhiên, nghiên cứu mơ q trình hình thành phoi phân bố trường nhiệt độ, lực cắt gia công tốc độ cao thép hợp kim SKD11 hạn chế Trong báo này, mơ hình phân... nhiều nhiệt áp lực tiếp xúc cao Các thơng số gia cơng có ảnh hưởng đáng kể đến phát sinh nhiệt độ phân bố nhiệt độ tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt thơng số hình học dụng cụ cắt Trong