Mô phỏng quá trình phát sinh nhiệt cắt khi gia công trên máy tiện CNC-JG100

Thứ năm - 28/09/2017 14:19
Ngày 29 tháng 9 năm 2017, Bộ môn Thực hành thực nghiệm cơ khí tổ chức hội thảo chuyên đề: “Mô phỏng quá trình phát sinh nhiệt cắt khi gia công trên máy tiện CNC-JG100” tại phòng Hội thảo khoa Cơ khí. Dưới sự điều hành của Ths. Mạc Văn Giang, hội thảo đã làm sáng tỏ quá trình truyền nhiệt, nhiệt phát sinh cực đại trên vùng biến dạng II làm cơ sở lựa chọn chế độ cắt (S, t, F) phù hợp với cặp vật liệu dao - phôi.
1. Đặt vấn đề
            Bài toán truyền nhiệt cho hệ  thống dao – phoi - phôi khi tiện cưỡng bức là bài toán truyền nhiệt trong không gian ba chiều. Tuy nhiên, có thể  quy  về  bài toán truyền nhiệt theo hai chiều với sự hiệu chỉnh thích hợp.
            Vùng mô hình nhiệt và các điều kiện biên được mô tả  trên  hình 1. Vì chiều rộng dụng cụ  và chiều rộng phoi (theo hướng pháp tuyến với mặt phẳng trong hình) lớn hơn 30 lần chiều dày phoi khi chưa bị  biến dạng, mô hình thỏa mãn hoàn toàn với bài toán truyền nhiệt  theo  hai  phương.  Kích  thước  hình  học của  mô  hình  được  xác  định  trong  phạm  vi vùng  chịu  tác  động  của  gradient  nhiệt  độ. Hầu hết các bề mặt ngoài là đoạn nhiệt, nghĩa là  nhiệt  mất  mát  do  đối  lưu  và  bức  xạ  vào môi trường là không đáng kể.
Hình 1. Mô hình tính nhiệt
Phương trình truyền nhiệt ổn định trong không gian hai chiều trong quá trình cắt kim loại được viết dưới dạng:
(1-1)

            Giả sử
k= kx = ky  thì phương trình (1-1) được viết dưới dạng:
(1-2)
Phương  trình  này  biểu diễn các  điều  kiện  biên  mà  phương  trình phải  thỏa  mãn  ứng  với  quá  trình  cắt  trực giao:
Hình 2. Diễn giải các điều kiện biên trong quá trình cắt gọt kim loại
 2. Phân tích vận tốc, ứng suất phát sinh trong quá trình cắt
Điều kiện thực nghiệm để xác định các thông số khảo sát nhiệt cắt:
Vật liệu: thép C45
Dao tiện: gắn mảnh hợp kim cứng T15K6
Chế  độ  cắt:  n=1000 vòng/phút; t=0.8mm; F=0,2mm/vòng
Nhiệt độ phát sinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có hệ số trượt giữa phoi và dao
Hình 3. Biến thiên vận tốc trượt ứng suất trượt  và vận tốc sinh nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa phoi và dao
Do  kết  quả  của  hiện tượng dính nên vận tốc biến đổi từ  giá trị bằng 0 tại vị  trí tiếp xúc trên bề mặt dụng cụ  đến  giá  trị  Vc ở  mặt  cắt  ngang  cách mặt tiếp xúc một khoảng bằng  chiều dày tp
Hình 4. Hình dạng và kích thước vùng biến dạng
Ở chế độ cắt thô (F lớn, n nhỏ, t  lớn) ứng suất bề mặt tiếp xúc tăng lên làm gia tăng nhiệt độ

Phân bố ứng suất trên mặt tiếp xúc giữa dao và phôi Hình 6.
3. Phân tích, mô phỏng quá trình truyền nhiệt khi cắt
Trường  phân  bố  nhiệt  trong quá  trình  tiện  thép C45  sử  dụng dao  T15-K6 được xác định  bằng  phương  pháp  phần  tử hữu  hạn  với  sự  hỗ  trợ  của  phần mềm  COSMOS.  Mô  hình  tính toán  được  xây  dựng  ở  dạng  mô hình  3D. Toàn  bộ hệ thống dao - phoi - phôi đựợc xem xét trong mối quan hệ tương tác về truyền nhiệt và được coi như thực hiện trong môi trường liên tục.
Hình 7. Sơ đồ tác dụng của các nguồn nhiệt trong mô hình tính toán trường phân bố nhiệt quá trình tiện
 Các thuộc tính nhiệt của vật liệu phôi và dụng cụ  cho mô hình bao gồm: Hệ  số dẫn nhiệt k, khối lượng riêng ρ và nhiệt dung riêng c. Khối lượng riêng ρ được  coi  như không thay đổi, còn hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ.
Các điều kiện tính toán:
- Hệ số dẫn nhiệt của mảnh hợp kim T15K6:
k = 52 (W/mK)
- Với phôi thép C45:
+ Hệ số dẫn nhiệt
k = 37 (W/mK)
- Môi trường khô hệ số truyền nhiệt đối lưu: h = 5¸25 (W.m2.oC) 
- Chế  độ  cắt  n=1000 vòng/phút; t=0.8mm; F=0,2mm/vòng, phôi thép C45, dao gắn mảnh hợp kim T15-K6.
- Công suất sinh nhiệt:
P = 800 (W/m2) 
- Không sử dụng dung dịch trơn – nguội.
Với các  thông số đầu vào đã xác định bao  gồm  kích  thước hình  học  của  vùng khảo  sát,  các  thuộc tính  vật  liệu  của dụng cụ và chi tiết gia  công,  mật  độ dòng nhiệt và các điều kiện biên, sơ đồ tác dụng của các nguồn nhiệt  của bài toán được thực hiện như hình 8:
Description: 2017-09-26_143844

Phân tích quá trình truyền nhiệt trên phần mềm Hình 8.
Nhận xét: Với vật liệu dao T15K6, phôi C45, chế độ cắt n=1000 vòng/phút; t=0.8mm; F=0,2mm/vòng và các điều kiện biên như trên thì vùng sinh nhiệt  lớn nhất luôn là vùng mặt phẳng trượt với giá trị  nhiệt độ cực đại là 10920K.
4. Kết luận – kiến nghị:
Với phương pháp phân tích trên cho phép dự báo trước kết quả của việc truyền nhiệt làm cơ sở để xác định các trạng thái của nhiệt độ, thông qua đó đưa ra các giải pháp công nghệ để điều chỉnh chế độ cắt phù hợp, để khống chế nhiệt độ phát sinh trong quá trình tiện thép nhằm đảm bảo chất lượng lớp bề mặt sản phẩm.
Tiếp tục nghiên cứu, thực nghiệm với các chế độ công nghệ khác nhau đáng giá nhiệt phát sinh cực đại để lựa chọn chế độ cắt phù hợp với từng cặp vật liệu dao – phôi.

Tác giả bài viết: Mạc Giang

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây