Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Quang Định

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO NHIỆT CẮT KHI PHAY

Chuyên ngành : Chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
…..........................................
CHẾ TẠO MÁY

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Trọng Hiếu

Hà Nội – Năm 2013

Học viên: Nguyễn Quang Định


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là luận văn của riêng tôi. Các thí nghiệm trong
luận văn đƣợc thực hiện nghiêm túc trên máy đạt tiêu chuẩn, các số liệu trong luận
văn đƣợc đo đạc trung thực, chính xác tại phòng thí nghiệm có uy tín, các kết quả
của luận văn chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ tài liệu nào.
Hà Nội, ngày 20 tháng 08 năm 2013
Ngƣời cam đoan

Nguyễn Quang Định

Học viên: Nguyễn Quang Định

2


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu
LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Công nghệ chế tạo máy – Viện Cơ khí –
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm Khoa học và Công nghệ quân sự đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên
cứu.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Nguyễn Trọng Hiếu, ngƣời hƣớng
dẫn khoa học cho tôi. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các bạn
đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và giúp đỡ tận tình để luận văn đƣợc
hoàn thành.
Hà Nội, ngày 20 tháng 08 năm 2013
Học viên


Nguyễn Quang Định

Học viên: Nguyễn Quang Định

3


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu
MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA ............................................................................ Error! Bookmark not defined.
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ 2
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................................... 6
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIỆT CẮT................................................................................ 11
1.1 Nguyên nhân sinh nhiệt cắt .................................................................................................... 11
1.2 Phân bố nhiệt cắt .................................................................................................................... 12
1.3 Ảnh hƣởng của nhiệt cắt đến quá trình gia công và chất lƣợng sản phẩm ............................. 13
1.3.1 Ảnh hƣởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công ....................................................... 14
1.3.2 Ảnh hƣởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dụng cụ. ....................................... 15
1.3.3 Ảnh hƣởng của nhiệt cắt đến chất lƣợng bề mặt gia công. ............................................. 15
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1................................................................................................................. 16
CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT CẮT ................................................................. 17
2.1 Đo nhiệt cắt bằng phƣơng pháp đo tiếp xúc ........................................................................... 18
2.2 Đo nhiệt cắt bằng phƣơng pháp đo không tiếp xúc ................................................................ 24
2.2.1 Đo nhiệt cắt bằng phƣơng pháp quang học ..................................................................... 25

2.2.2 Đo nhiệt cắt bằng tế bào quang ....................................................................................... 25
2.2.3 Phƣơng pháp đo quang học sử dụng kỹ thuật hồng ngoại............................................... 26
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2................................................................................................................. 27
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO NHIỆT CẮT ............................................ 28
3.1 Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các loại cặp nhiệt ngẫu. .............................................. 28
3.1.1. Nguyên lý cấu tạo, hoạt động của cảm biến nhiệt điện .................................................. 28
3.1.2. Các hiệu ứng nhiệt điện.................................................................................................. 28
3.1.3 Đặc trƣng chƣng độ nhạy nhiệt ....................................................................................... 30
3.1.4 Phƣơng pháp đo điện áp cảm biến nhiệt điện.................................................................. 31
3.1.5 Thay đổi nhiệt độ điểm lạnh............................................................................................ 33
3.1.6 Cảm biến nhiệt loại K ..................................................................................................... 39
3.2 Xây dựng hệ thống đo nhiệt cắt quá trình phay ..................................................................... 39
3.2.1 Cảm biến ......................................................................................................................... 40
3.2.2 Phôi ................................................................................................................................. 40
3.2.3 Card chuyển đổi ADAM – 4019+ ................................................................................... 41
3.2.4 Bộ chuyển đổi ICP CON 7520 ........................................................................................ 42

Học viên: Nguyễn Quang Định


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

3.2.5 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ......................................................................................... 43
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3................................................................................................................. 45
CHƢƠNG 4. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ................................................. 46
4.1 Tiến hành làm thí nghiệm ...................................................................................................... 46
4.1.1 Thiết bị thí nghiệm .......................................................................................................... 46
4.1.2 Lựa chọn các thông số công nghệ cho thí nghiệm .......................................................... 47

4.2 Tiến hành thí nghiệm thu thập số liệu và xử lý số liệu .......................................................... 54
KẾT LUẬN CHƢƠNG 4................................................................................................................. 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 63

Học viên: Nguyễn Quang Định


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Kí hiệu

1

V

Tốc độ cắt (m/ph)

2

S

Lƣợng chạy dao (mm/ph)

3


t

Chiều sâu cắt (mm)

4

to

Nhiệt cắt (oC)

5

n

Tốc độ quay của trục chính (vg/ph)

6

U

Hiệu điện thế (V)

7

I

Cƣờng độ dòng điện (A)

8


s

Thời gian (giây)

Học viên: Nguyễn Quang Định

Chú thích

4


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

3.1

Các loại cặp nhiệt và khoảng nhiệt đo đƣợc

39

3.2


Thành phần và độ cứng của thép 9XC

40

4.1

Các mức của yếu tố đầu vào

52

4.2

Bảng trực giao

53

4.3

Số liệu thực nghiệm

55

Học viên: Nguyễn Quang Định

5


Luận văn thạc sĩ khoa học


GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Các nguồn sinh nhiệt trong quá trình cắt

11

1.2

Sự phân bố nhiệt cắt

12

1.3

Các hƣớng truyền nhiệt

12

2.1

Lịch sử phát triển của các thiết bị đo nhiệt cắt


17

2.2

Nhiệt kế gốm – kim loại

18

2.3

Nhiệt kế kim loại – kim loại

19

2.4

Nguyên lý của cặp nhiệt ngẫu

21

2.5

Sơ đồ đo nhiệt cắt bằng hai kim loại riêng biệt

22

2.6

Sơ đồ đo nhiệt cắt bằng một kim loại ngoại lai


23

2.7

Đo nhiệt độ bằng ngẫu nhiệt trực tiếp

24

2.8

Hiện tƣợng ngẫu nhiệt kí sinh

24

2.9

Sơ đồ nguyên lý quang học

25

2.10

Sơ đồ và mạch điện để đo nhiệt cắt bằng tế bào quang điện

26

3.1

Sơ đồ khối cảm biến nhiệt điện


28

3.2

Hiện tƣợng Peltier

28

3.3

Hiệu ứng Thomson

29

3.4

Hiệu ứng Seebeck

30

3.5

Cấu tạo cặp ngẫu nhiệt

30

3.6

Biểu đồ đặc tính cặp ngẫu nhiệt loại K Cr và Al


31

3.7

Sơ đồ đo điện áp nhiệt điện (a) và mạch thay thế nó (b)

32

3.8

Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt (A, B)

34

Học viên: Nguyễn Quang Định

6


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

3.9

Phƣơng pháp ổn định điểm lạnh

36


3.10

Ổn định điểm lạnh đƣợc duy trì bởi cặp dây Teflon Neoflon

36

3.11

Ổn định điểm lạnh đƣợc duy trì bởi cặp dây bù Teflon Neoflon PFA

37

3.12.a

Sơ đồ nguyên lý liên kết giữa các cặp nhiệt đo (T) và chuẩn (Tm)

38

3.12.b

Nguyên lý ổn định điểm lạnh cho một hệ đo nhiệt độ bằng các
cảm biến nhiệt điện (cặp nhiệt điện)

38

3.13

Các cảm biến cặp nhiệt có đáp ứng thời gian khác nhau

39


3.14

Cảm biến loại K

40

3.15

Phôi làm thí nghiệm

41

3.16

Card chuyển đổi ADMA – 4019+

42

3.17

Bộ chuyển đổi ICP CON 7520

42

3.18

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

43


3.19

Sơ đồ kết nối thực của hệ thống

44

4.1

Máy phay SHIZUOKA và các cấp tốc độ trục chính của máy

46

4.2

Dao sử dụng trong thí nghiệm

47

4.3

Gá đặt phôi trên máy phay

47

4.4

Gá đặt phôi chuẩn bị thí nghiệm

54


4.5

Hệ thống trong quá trình thí nghiệm

55

Học viên: Nguyễn Quang Định

7


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

MỞ ĐẦU
Mặc dù cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật có rất nhiều phƣơng pháp gia
công đã xuất hiện, các phƣơng pháp này mang lại hiệu quả kinh tế cao, có nhiều
ứng dụng trong nhiều mặt của sản xuất, chế tạo nhƣng các phƣơng pháp gia công cổ
điển (gia công cắt gọt) vẫn chiếm một tỷ trọng rất lớn trong ngành công nghệ chế
tạo máy. Trong quá trình gia công cắt gọt thì có đến 99% năng lƣợng của quá trình
cắt chuyển thành nhiệt cắt. Nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt có ảnh hƣởng rất
lớn đến quá trình cắt nhƣ làm mòn dao, làm giảm chất lƣợng bề mặt chi tiết gia
công…
Nhiệt sinh ra trong quá trình cắt đã đƣợc quan tâm đến từ rất lâu thể hiện ở sự
xuất hiện và phát triển của các thiết bị đo nhiệt cắt, thiết bị đo nhiệt cắt đầu tiên xuất
hiện vào năm 1798 có tên là “Calorimetry”. Đến ngày nay đã có rất nhiều các loại
thiết bị đƣợc nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng không những trong các phòng thí
nghiệm mà còn cả trong thực tế sản xuất, rất nhiều phƣơng pháp đo nhiệt cũng đƣợc

ứng dụng để phù hợp với từng phƣơng pháp gia công. Đặc biệt là trong gia công
chính xác nhiệt cắt là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến chất lƣợng
sản phẩm của quá trình gia công, nhà sản xuất mong muốn kiểm soát đƣợc nhiệt cắt
từ đó kiểm soát đƣợc tuổi bền của dụng cụ, kiểm soát đƣợc chất lƣợng của chi tiết
gia công.
Trong gia công cắt gọt nguyên công phay là một nguyên công chiếm một tỷ trọng
lớn trong các nhà máy chế tạo, phay là một nguyên công cho năng suất rất cao. Đặc
trƣng của quá trình phay là quá trình gia công có rung động rất lớn đi kèm với đó là
sinh ra nhiệt cắt lớn, kiểm soát đƣợc rung động , kiểm soát đƣợc nhiệt của quá trình
phay thì sẽ kiểm soát đƣợc chất lƣợng của sản phẩm. Chính vì vậy tác giả đã chọn
nghiên cứu đề tài:
“Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo nhiệt cắt khi phay”
1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu
- Nhiệt cắt của quá trình phay.
- Các phƣơng pháp đo nhiệt cắt của quá trình phay

Học viên: Nguyễn Quang Định

8


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

* Phạm vi nghiên cứu
- Thép 9XC
- Đo nhiệt bằng phƣơng pháp đo tiếp xúc sử dụng cặp nhiệt ngẫu loại K
- Các thông số công nghệ đầu vào gồm: tốc độ cắt V (m/ph), lƣợng chạy dao S

(mm/ph), chiều sâu cắt t (mm)
- Nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện thực tế ở xƣởng.
2. Phương pháp nghiên cứu
Tác giả dùng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với khảo sát thực nghiệm
theo các nội dung sau:
- Nghiên cứu tổng quan về nhiệt cắt, ảnh hƣởng của nhiệt cắt tới quá trình gia
công. Nghiên cứu các phƣơng pháp đo nhiệt cắt, các thiết bị đo nhiệt cắt.
- Tiến hành làm thực nghiệm quá trình phay với phôi làm bằng thép 9XC, thân
dao và mảnh cắt của hãng vertex, nhiệt cắt đƣợc thu nhận qua cặp nhiệt ngẫu loại K
kết nối với hệ thống xử lý dữ liệu hiện thị trên máy tính.
- Xử lý các số liệu thực nghiệm thu đƣợc, sử dụng phƣơng pháp quy hoạch
Taguchi để đánh giá phần trăm ảnh hƣởng của hai yếu tố: tốc độ cắt gọt V và lƣợng
chạy dao S đến nhiệt cắt quá trình phay.
3. Nội dung của luận văn
- Nghiên cứu tổng quan về nhiệt cắt, ảnh hƣởng của nhiệt cắt tới chất lƣợng sản
phẩm và quá trình gia công.
- Nghiên cứu các phƣơng pháp đo nhiệt cắt.
- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định phần trăm ảnh hƣởng của các thông số
công nghệ (cụ thể trong luận văn này là V và S) tới nhiệt cắt (toC) của quá trình gia
công.
4. Ý nghĩa của đề tài
Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ xác định đƣợc phần trăm ảnh hƣởng của hai
thông số tốc độ cắt gọt V (m/ph) và lƣợng chạy dao S (mm/ph) đến nhiệt cắt của
quá trình phay trên máy phay SHIZOUKA đối với thép làm khuôn 9XC. Từ phần
trăm ảnh hƣởng này, trong sản xuất sẽ có hƣớng điều chỉnh thích hợp để khống chế
đƣợc nhiệt cắt xung quanh giá trị đích nhằm nâng cao năng suất, nâng cao tuổi bền
dụng cụ, nâng cao chất lƣợng bề mặt sản phẩm.
Học viên: Nguyễn Quang Định

9



Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

Luận văn là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nghiên cứu về nhiệt cắt, các
nghiên cứu sâu hơn về phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi – một trong
những phƣơng pháp đang đƣợc ứng dụng rất nhiều trong thực tế sản xuất ở Mỹ và
Nhật để nâng cao chất lƣợng sản phẩm.

Học viên: Nguyễn Quang Định

10


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIỆT CẮT

1.1 Nguyên nhân sinh nhiệt cắt
Trong quá trình cắt gọt kim loại, năng lƣợng đƣợc sử dụng để làm biến dạng phoi
và thắng lực ma sát giữa dụng cụ và phôi. Hầu hết các năng lƣợng này đều đƣợc
chuyển hóa thành nhiệt tạo ra nhiệt độ cao trong vùng biến dạngvà xung quanh
phoi, dụng cụ và chi tiết gia công. Tổng lƣợng nhiệt sinh ra có thể đƣợc tính theo
công thức sau:
Qcg 


Trong đó:

Pz .v
427

Pz – Thành phần lực cắt tiếp tuyến (kG)
v – Tốc độ cắt (m/ph)

Các nguồn sinh nhiệt là:
- Nội ma sát do các phân tử trƣợt lên nhau trong quá trình biến dạng ở miền biến
dạng số N01, sinh ra nhiệt lƣợng Q1 xung quanh mặt trƣợt OE. Nó là nguồn sinh
nhiệt chính trong quá trình cắt

Hình 1.1 Các nguồn sinh nhiệt trong quá trình cắt
- Miền biến dạng N02 do ma sát giữa phoi và mặt trƣớc của dao sinh ra nhiệt lƣợng
Q2.
- Q3 sinh ra do ma sát giữa mặt sau dao và bề mặt gia công
Ngƣời ta đã xác định đƣợc rằng trên 99% công cắt biến thành nhiệt.Nhiệt sinh ra
đƣợc truyền vào môi trƣờng xung quanh.Phần lớn nhiệt Q1 truyền vào phoi và một

Học viên: Nguyễn Quang Định

11


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

phần truyền vào chi tiết gia công.Nhiệt lƣợng Q2 truyền phần lớn vào phoi và một

phần vào dụng cụ cắt, nhệt lƣợng Q3 truyền vào chi tiết gia công và dụng cụ cắt.
1.2 Phân bố nhiệt cắt
Nhiệt lƣợng sinh ra đƣợc truyền và phân tán vào phoi Qf, dụng cụ cắt Qd, chi tiết
gia công Qct và môi trƣờng Qmt.

Hình 1.2 Sự phân bố nhiệt cắt

Hình 1.3 Các hướng truyền nhiệt
Hình 1.2 và hình 1.3 mô tả tổng quát hƣớng các nguồn nhiệt truyền vào chi tiết gia
công, dụng cụ cắt, phoi và môi trƣờng.
- Nhiệt truyền vào phoi: Lƣợng nhiệt phoi nhận đƣợc đƣợc truyền từ hai nguồn q5
của vùng biến dạng trƣợt (mặt tạo phoi) và nguồn q6 trên mặt trƣớc dụng cụ. Lƣợng
nhiệt này chiếm khoảng 75% tổng lƣợng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt.

Học viên: Nguyễn Quang Định

12


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

- Nhiệt truyền vào dụng cụ cắt: Một phần lƣợng nhiệt q3 sinh ra trên bề mặt tiếp
xúc của phoi với mặt trƣớc dụng cụ cùng với một phần nhiệt lƣợng q4 sinh ra so ma
sát của mặt sau dụng cụ với bề mặt gia công đƣợc truyền vào dụng cụ cắt. Lƣợng
nhiệt này chiếm khoảng 20% tổng lƣợng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt.
- Nhiệt truyền vào chi tiết gia công: Có hai nguồn nhiệt hƣớng vào chi tiết gia
công đó là q1 và q2. Nhiệt lƣợng q1 sinh ra trên mặt trƣợt và nhiệt lƣợng q2 sinh ra từ
mặt sau của dao truyền vào chi tiết gia công.Lƣợng nhiệt này chiếm khoảng 4%

tổng lƣợng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt.
- Nhiệt truyền vào môi trƣờng: Một phần nhiệt khác của quá trình cắt truyền từ bề
mặt tự do của phoi, dụng cụ và chi tiết gia công vào môi trƣờng xung quanh q7, q8,
q9. Lƣợng nhiệt này phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ lƣợng dụng dịch tƣới nguội vào
vùng cắt, tốc độ cắt, chiều sâu lớp cắt,…
Sự phân tích tóm tắt lý thuyết về sự thu phát nhiệt trong quá trình cắt giúp đánh
giá ảnh hƣởng của các thông số cơ bản của cắt gọt đến sự xuất hiện và sự dẫn nhiệt
trong quá trình cắt gọt. Tuy nhiên việc xác định sự thu nhận nhiệt và truyền phát
nhiệt bằng tính toán là rất khó và không chính xác.
1.3 Ảnh hƣởng của nhiệt cắt đến quá trình gia công và chất lƣợng sản phẩm
Hiện tƣợng nhiệt xảy ra trong vùng cắt gọt ảnh hƣởng trực tiếp đến tốc độ mòn
dụng cụ, tới tốc độ cắt gọt, tới độ ổn định của dụng cụ và tới nhiều đặc tính khác
của quá trình căt gọt.Thực nghiệm đã chứng minh hầu hết tất cả công của lực cắt
gọt đều đƣợc chuyển hóa thành nhiệt.Nhiệt cắt từ vùng cắt đƣợc truyền vào phoi,
dụng cụ và chi tiết gia công làm giảm độ cứng của dụng cụ, biến dạng lƣỡi cắt và
làm giảm khả năng cắt gọt của dụng cụ. Nhiệt cắt phụ thuộc vào: vật liệu phôi (các
đặc tính cơ học và các đặc tính hóa học của vật liệu), tốc độc gia công, lƣợng chạy
dao, chiều sâu cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt, dạng tƣới nguội và nhiều
thông số ảnh hƣởng khác.
Ảnh hƣởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt và chất lƣợng sản phẩnm thƣờng đƣợc
nghiên cứu theo 3 quan điểm lớn:
- Theo độ chính xác gia công.
- Theo khả năng cắt của dao.

Học viên: Nguyễn Quang Định

13


Luận văn thạc sĩ khoa học


GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

- Theo chất lƣợng bề mặt đã gia công.
1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công
Độ chính xác gia công khi cắt gọt đƣợc quyết định bởi vị trí tƣơng quan giữa dao
và chi tiết gia công trong quá trình cắt. Do vậy sự biến dạng về nhiệt của dao và chi
tiết gia công do ảnh hƣởng của nhiệt khi cắt đƣợc quan tâm khảo sát.
Về quá trình trao đổi nhiệt, ta biết rằng nếu cung cấp một lƣợng nhiệt Q cho một
vật có thể tích V (cm3), nhiệt dung riêng c (J/kg.oK), khối lƣợng riêng  (kg/cm3),
thì độ tăng của nhiệt độ của vật thể đƣợc xác định:

θ =

Q
c.γ.V

( 0K )

Độ thay đổi chiều dài L theo phƣơng nào đó của vật thể là:

ΔL = α.Δθ.L

(mm)

Nhƣ vậy nếu ta xét trƣờng hợp khi tiện một chi tiết có đƣợc đƣờng kính là D theo
thiết kế trên bản vẽ, nếu nhiệt lƣợng truyền vào cho chi tiết là Qct thì nhiệt độ trên
chi tiết sẽ tăng lên một lƣợng  xác định và đƣờng kính của chi tiết sẽ thay đổi một
lƣợng là D:
ΔD = α.Δθ.D


(mm)

Mặt khác, nhiệt lƣợng Qd truyền vào dụng cụ cũng sẽ làm cho dụng cụ tăng chiều
dài về phía tâm chi tiết. Khác với chi tiết, vật liệu trên dao là không đồng nhất giữa
phần cắt và phần cán dao, do vậy sự biến dạng của dao theo chiều dài dƣới tác dụng
của nhiệt cắt phức tạp hơn rất nhiều. Ở đây ta phải khảo sát biến dạng dài của dao
trong mối quan hệ phức hợp:

L = f(L,F,σ d ,v,s,t...)
Trong đó:

F
d

-

là tiết diện thân dao.

-

là độ bền vật liệu dao.

v, s, t -

là chế độ cắt.

Sau quá trình cắt, khi chi tiết về nhiệt độ thƣờng, đƣờng kính thực tế của chi tiết
gia công sẽ là:
Dt =


Học viên: Nguyễn Quang Định

D - (α.Δθ.D + ΔL)

14


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dụng cụ.
Những kết quả nghiên cứu về cắt gọt cho thấy rằng khi gia công kim loại, đặc biệt
khi gia công ở tốc độ cao thì yếu tố quyết định lớn nhất đến khả năng gia công của
dụng cụ đó là nhiệt cắt, tiếp đến mới là ma sát.
Khả năng cắt gọt của dụng đƣợc đánh giá bởi tuổi bền của dụng cụ thông qua việc
xác định độ lớn của các dạng mài mòn trên dụng cụ.
Dƣới tác dụng của nhiệt khi cắt vật liệu của dụng cụ sẽ có sự thay đổi về tính chất
cơ - lý - hoá, đặc biệt là độ cứng, độ bền giảm, tính chống mài mòn cũng giảm...
dẫn đến mài mòn dao nhanh chóng, hậu quả là thời gian sử dụng dụng cụ vào cắt
gọt cũng bị rút ngắn đi, dụng cụ nhanh chóng mất khả năng cắt gọt.
1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công.
Chất lƣợng bề mặt đã gia công của chi tiết đƣợc đặc trƣng bởi độ nhấp nhô bề mặt
và tính chất cơ - lý lớp bề mặt. Nhiệt cắt có ảnh hƣởng chủ yếu đến sự thay đổi tính
chất cơ - lý lớp bề mặt chi tiết gia công.
Ta biết rằng, khi kim loại bị đốt nóng đến một nhiệt độ nào đó thì tổ chức kim
tƣơng của chúng sẽ thay đổi. Sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi về cơ - lý tính của
kim loại. Mặt khác, trong quá trình cắt sự tăng giảm đột ngột về nhiệt độ trên bề
mặt gia công kết hợp với sự dao động của lực cắt sẽ tạo nên ứng suất dƣ và vết nứt

tế vi ở lớp kim loại sát trên bề mặt, đồng thời trên đó kim loại cũng bị biến cứng
hay hoá bền. Nói chung các ảnh hƣởng này đều theo chiều hƣớng bất lợi cho yêu
cầu về cắt gọt.
Tóm lại, nhiệt cắt ngoài ảnh hƣởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất
lƣợng lớp bề mặt gia công và khả năng cắt gọt của dao, còn ảnh hƣởng đáng kể đến
máy và đồ gá trong hệ thống công nghệ.

Học viên: Nguyễn Quang Định

15


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
- Nghiên cứu tổng quan về nhiệt cắt, các nguồn sinh nhiệt, phân bố của nhiệt cắt
trong quá trình gia công, các yếu tố ảnh hƣởng tới nhiệt cắt trong quá trình gia công
từ đó có cơ sở để lựa chọn phƣơng án đo nhiệt cắt quá trình phay.
- Nghiên cứu tổng quan về ảnh hƣởng của nhiệt sinh qua trong quá trình gia công
từ đó thấy đƣợc ý nghĩa của việc cần phải đo nhiệt sinh ra trong quá trình gia công.

Học viên: Nguyễn Quang Định

16


Luận văn thạc sĩ khoa học


GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT CẮT
Nhiệt sinh ra trong quá trình cắt ảnh hƣởng đến sự mòn dụng cụ, năng suất gia
công, chất lƣợng bề mặt, độ chính xác gia công và nhiều thông số đầu ra khác của
quá trình cắt.Vì vậy việc nghiên cứu, đo đạc và biết đƣợc ảnh hƣởng của nhiệt cắt
tới các thông số đầu ra của quá trình cắt là một vấn đề quan trọng trong thực
nghiệm.Tối ƣu hóa các điều kiện, chế độ làm việc, chất lƣợng sản phẩm, năng suất,
tính kinh tế trong sản xuất và sự ổn định của dụng cụ có thể đƣợc xác định dựa trên
cơ sở sự hiểu biết về nhiệt cắt.
Trong điều kiện gia công thực tế đã sử dụng rất nhiều kỹ thuật để xác định sự
phân bố nhiệt độ trong vùng gia công.Các điều kiện gia công mới, vật liệu dụng cụ
cắt mới và các chủng loại sản phẩm mới nhƣ các sản phẩm có kích thƣớc nhỏ, gia
công ở tốc độ cao, có sự chênh lệch về nhiệt độ lớn đã trở thành thử thách cho quá
trình gia công thực tế để phát triển thiết bị đo nhiệt nhằm đo đƣợc chính xác nhiệt
độ trong vùng cắt. Có thể kể ra một số kỹ thuật đo nhiệt nhƣ đo bằng cặp nhiệt
ngẫu, đo bằng bức xạ hồng ngoại, sơn nhạy nhiệt, camera nhiệt…Mỗi một kỹ thuật
đều có ƣu điểm và nhƣợc điểm của riêng nó phụ thuộc vào sự ứng dụng hiện tƣợng
vật lý của mỗi phép đo.
Sự phát triển các thiết bị và các phƣơng pháp đo nhiệt cắt đã trải qua một thời kỳ
phát triển lâu dài.

Hình 2.1 Lịch sử phát triển của các thiết bị đo nhiệt cắt
Hình 2.1 cho thấy rằng các phƣơng pháp đo nhiệt cắt phát triển nhanh chóng và
hầu hết các phƣơng pháp trong lần đầu tiên giới thiệu đều sử dụng cho các lƣỡi cắt
đơn với thiết bị đo đƣợc gắn vào dụng cụ cắt. Một số các phƣơng pháp nhƣ đo bức
xạ nhiệt bằng màng đƣợc thay thế hoàn toàn bằng các cảm biến ở trạng thái rắn,
Học viên: Nguyễn Quang Định

17



Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

trong khi đó các phƣơng pháp khác nhƣ cặp ngẫu nhiệt vẫn tiếp tục đƣợc sử dụng
cho đến ngày nay.
Các phƣơng pháp đo nhiệt cắt hiện nay có thể đƣợc chia thành hai nhóm phƣơng
pháp:
- Đo nhiệt cắt bằng phƣơng pháp đo tiếp xúc
- Đo nhiệt cắt bằng phƣơng pháp đo không tiếp xúc
2.1 Đo nhiệt cắt bằng phƣơng pháp đo tiếp xúc
Là phƣơng pháp đo nhiệt mà khi đo cảm biến tiếp xúc với vật cần đo, thông
thƣờng trong trƣờng hợp này khi đo nhiệt cắt cảm biến nhiệt độ sẽ đƣợc gắn vào
dụng cụ cắt hoặc gắn vào phôi, phép đo bằng phƣơng pháp tiếp xúc sẽ dựa trên các
hiện tƣợng vật lý sau:
* Hiện tượng giãn nở của vật liệu, nhƣ ta đã biết nguyên lý giãn nở (hoặc co lại)
của vật liệu khi nhiệt độ tăng hoặc giảm theo công thức:
Dãn nở thể tích:

V(t) = V0.(1+αv.t)

Dãn nở chiều dài;

l(t) = l0.(1+αl.t)

Trong đó: t – nhiệt độ, αv – hệ số nở khối, αl – hệ số nở dài, V0 – thể tích ban đầu,
l0 – chiều dài ban đầu, V(t) – thể tích sau khi tăng toC, l(t) – chiều dài sau khi tăng
toC.

Dụng cụ để đo nhiệt độ của đối tƣợng dựa vào hiện tƣợng giãn nở của vật liệu
gồm có một số loại đặc trƣng sau:
- Nhiệt kế gốm – kim loại

Hình 2.2 Nhiệt kế gốm – kim loại 1-thanh gốm, 2-ống kim loại
Nguyên lý hoạt động của loại nhiệt kế này là khi nhiệt độ tăng một lƣợng là Δt thì
thanh gốm sẽ giãn nở một lƣợng Δlg và ống kim loại sẽ giãn nở một lƣợng Δlk. Do
kim loại có hệ số giãn nở vì nhiệt lớn hơn gốm nên Δlk>Δlg do đó đầu A của thanh

Học viên: Nguyễn Quang Định

18


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

gốm sẽ dịch chuyển sang phải một lƣợng Δl = Δlk - Δlg = f(Δt). Đo chiều dài Δl ta
sẽ tính đƣợc nhiệt độ tăng thêm.
- Nhiệt kế kim loại – kim loại

Hình 2.3 Nhiệt kế kim loại – kim loại
Nguyên lý hoạt động của loại nhiệt kế này là khi nhiệt độ tăng một lƣợng là Δt thì
các thanh do khác nhau về bản chất hóa học nên sẽ giãn nở khác nhau, thanh thứ
nhất giãn nở Δl1> Δl2. Do hai thanh liên kết với nhau nên hệ hai thanh này sẽ bị uốn
cong tức là đầu A sẽ dịch chuyển một lƣợng Δl = Δl1 – Δl2 = f(Δt). Đo chiều dài Δl
ta sẽ tính đƣợc nhiệt độ tăng thêm.
Các loại nhiệt kế này có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp và có tuổi thọ cao. Tuy
nhiên nhiệt kế loại này chỉ có thể đo đƣợc các vật có nhiệt độ < 700oC

* Hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu. Khi nhiệt độ của một vật thay đổi thì
điện trở của vật đó cũng thay đổi. Quan hệ này đƣợc biểu diễn qua công thức:
R(T) = R0.f(T – T0)
Trong đó:

R(T) – giá trị điện trở ứng với nhiệt độ T
R0 – giá trị điện trở ở điều kiện ban đầu
f(T – T0) – hàm của T và T0

Nhiệt kế điện trở có 3 loại: nhiệt kế điện trở kim loại, nhiệt kế điện trở silic, nhiệt
kế điện trở oxyt bán dẫn.
+ Nhiệt kế điện trở kim loại
Dựa trên sự thay đổi điện trở của nhiệt kế theo công thức:
R(T) = R0.(1 + A.T + B.T2 + C.T3)
Khi biến thiên ΔT nhỏ thì có thể coi: R(T + ΔT) = R(T).(1 + αR.T)

R 

1 dR
.
là hệ số nhiệt điện trở
R dT

R 

1 dR 1 d  1 dl 1 ds
.
 .
 .
 .

R dT  dT l dT s dT

Học viên: Nguyễn Quang Định

19


Luận văn thạc sĩ khoa học
Đặt:   
 R 

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

1 d
1 dl
1 ds
.
; l  . ;  s  .
 2. l
 dT
l dT
s dT

1 dR
.
    l  2.l      l
R dT

Do  


 l   R    nên sự thay đổi kích thƣớc ảnh hƣởng không đáng kể. Vậy

khi nhiệt độ tang thì điện trở suất của vật liệu tăng dẫn đến điện trở của vật lệu tăng,
ta đo điện trở của nhiệt kế thì sẽ xác định đƣợc nhiệt độ.
Nhiệt kế điện trở kim loại có đặc điểm là kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, phép đo
cho độ chính xác khá cao. Nhiệt kế loại này đo đƣợc nhiệt độ thấp và trung bình
(thƣờng dƣới 1000oC) trong các môi trƣờng khí, lỏng và rắn và có thể đo đƣợc nhiệt
độ bề mặt.
+ Nhiệt kế điện trở Silic
Đƣợc cấu tạo từ đơn tinh thể Si pha tạp loại N, kích thƣớc cỡ 500x500x240 μm.
Trong khoảng nhiệt độ từ -55 ÷ 200oC hệ số nhiệt điện trở dƣơng (khoảng 7.10-3/oC
ở 25oC). Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ đƣợc biểu diễn gần đúng theo công
thức:
R(T) = R0.[1 + A.(T – T0) + B.(T – T0)2]
+ Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn
Đƣợc chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể nhƣ: MgO, MgAl2O4, Mn2O3,
Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Hỗn hợp bột oxuyt đƣợc trộn theo tỷ lệ thích hợp sau
đó đƣợc nén định dạng rồi đƣợc thiêu kết ở nhiệt độ xấp xỉ 1000oC, vỏ bọc bằng
thủy tinh. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ đƣợc tính theo công thức:
  1 1  
T 
R (T )  R0   exp      
  T T0  
 T 
2

Hệ số nhiệt điện trở:  R 

 b
T2


 1

 T

Tính gần đúng: R(T )  R0 exp  B.  

B
1 

  và  R   2 với B = 3000 – 5000K
T0  
T


Nhiệt kế loại này có kích thƣớc nhỏ gọn nên có thể đo nhiệt độ theo điểm, nhiệt
dung nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ, hệ số nhiệt điện trở lớn nên đo đƣợc ΔTmin =
10-4 ÷ 10-3K. Đo đƣợc nhiệt độ trong khoảng 0 ÷ 300oC.
Học viên: Nguyễn Quang Định

20


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

* Hiệu ứng nhiệt điện.
Xét một mạch kín gồm hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất hóa học đƣợc
hàn nối hai đầu với nhau, khi nhiệt độ hai mối hàn ở hai đầu là t và t0 khác nhau thì

trong mạch xuất hiện một sức điện động EAB có độ lớn phụ thuộc vào độ chênh lệch
nhiệt độ giữa hai mối hàn. Hiện tƣợng này ngƣời ta gọi là hiệu ứng nhiệt điện.
Ở đầu có nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0). Giả sử
NA(t0)> NB(t0) thì ở vị trí tiếp giáp các electron sẽ khuếch tán từ A sang B hình
thành hiệu điện thế eAB(t0). Tƣơng tự ở đầu có nhiệt độ t sẽ hình thành hiệu điện thế
eAB(t). Giữa hai đầu mỗi dây có chênh lệch mật độ electron nên các electron sẽ
khuếch tán từ đầu này sang đầu kia hình thành eA(t,t0) và eB(t,t0).

Hình 2.4 Nguyên lý của cặp nhiệt ngẫu
Trong mạch kín ta có:
EAB = eAB(t) + eBA(t0) + eA(t0,t) + eB(t,t0)
EAB = eAB(t) - eAB(t0) - eA(t,t0) + eB(t,t0)
EAB ≈ eAB(t) - eAB(t0)
Cho t0 = hằng số => EAB = eAB(t) + C = f(t)
Cặp nhiệt ngẫu có ƣu điểm lớn là hoạt động ổn định và cho độ chính xác cao
trong các phép đo nhiệt chính vì vậy mà ngày nay cặp nhiệt ngẫu vẫn tiếp tục đƣợc
nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong các hệ thống đo nhiệt cắt. Theo nguyên lý
này có thể có nhiều phƣơng án đo khác nhau.
+ Đo nhiệt độ bằng hai kim loại riêng biệt (hai kim loại ngoại lai)

Học viên: Nguyễn Quang Định

21


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

Hình 2.5 Sơ đồ đo nhiệt cắt bằng hai kim loại riêng biệt

Khoan vào dụng cụ hay chi tiết một lỗ khoan nhỏ. Đặt vào đáy lỗ khoan đầu nóng
của cặp pin nhiệt điện, những kim loại này có thể là cặp vật liệu: đồng – konstanta,
crom – crom niken, platin – platin rodium, hai đầu nguội đƣợc nối với đồng hồ mV
kế. Với kết cấu nhƣ vậy sẽ xuất hiện lực nhiệt điện động tỷ lệ thuận với nhiệt độ
trung bình đầu hàn của hai loại vật liệu ngoại lai với vật liệu dụng cụ hoặc chi tiết.
Các dây của cặp ngẫu nhiệt cần phải đƣợc cách nhiệt với vật liệu dụng cụ và chi
tiết. Nhiệt độ ở những đầu cuối tự do của dây dẫn, nơi đo lực động nhiệt – điện phải
là hằng số (20oC hoặc 0oC) tức là đảm bảo bằng việc nhúng những đầu cuối này vào
môi trƣờng có nhiệt độ không đổi.
Phƣơng pháp này có ƣu điểm là đo đƣợc nhiệt độ tại bất kỳ điểm nào trên dao, chi
tiết. Nhƣng có nhƣợc điểm lớn là việc chuẩn bị công phu và phức tạp, số lần thí
nghiệm bị hạn chế do mặt trƣớc bị mòn, nhiệt độ đo đƣợc không phải trên mặt trƣớc
dao nhƣ mong muốn.
+ Đo nhiệt bằng một kim loại ngoại lai
Sự khác nhau cơ bản của phƣơng pháp này là một phần tử của cặp ngẫu nhiệt là
vật liệu dụng cụ hay vật liệu chi tiết, phần tử thứ hai là một kim loại khác. Cũng có
thể có sự điều chỉnh là kim loại ngoại lai dẫn đến tận bề mặt làm việc của dụng cụ.

Học viên: Nguyễn Quang Định

22


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hiếu

Hình 2.6 Sơ đồ đo nhiệt bằng một kim loại ngoại lai
Lực động nhiệt điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ trung bình của những điểm tiếp xúc
của kim loại ngoại lai và vật liệu làm dao. Dụng cụ và chi tiết gia công trong

phƣơng pháp này cần phải đƣợc cách điện để giữa chúng không xuất hiện mạch kín.
Phƣơng pháp này sẽ sử dụng tiện lợi khi vật liệu gia công hoặc vật liệu làm dao
không dẫn điện. Để khắc phục sự phức tạp khi chuẩn bị cần tang diện tích tiếp xúc
của kim loại ngoại lai. Ví dụ, khi mài có thể tiến hành bằng cách là chi tiết mài
đƣợc làm từ hai kim loại khác nhau. Lực động nhiệt điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ
tiếp xúc của hai kim loại.
+ Đo nhiệt cắt bằng ngẫu nhiệt trực tiếp
Trong phƣơng án này cả hai thành phần của pin đều do vật liệu dao và vật liệu gia
công tạo nên. Lực nhiệt điện động xuất hiện tỷ lệ thuận với nhiệt độ trung bình của
các điểm tiếp xúc giữa vật liệu gia công và vật liệu dao. Phƣơng án này cần phải
cách điện dụng cụ và chi tiết đồng thời chú ý để nhiệt độ của những điểm giữa vật
liệu gia công và vật liệu làm dao, nơi nối máy đo, trong suốt thời gian đo là hằng số.
Những dụng cụ thoả mãn tốt nhất điều kiện đo này là dụng cụ nguyên khối vật
liệu, nếu dùng dụng cụ có gắn các mảnh hợp kim cứng thì nơi nối vật liệu dao và
thân dao bị nung nóng và xuất hiện “ngẫu nhiệt ký sinh” làm cho kết quả đo bị sai
lệch. Tuy nhiên phƣơng án này có nhƣợc điểm là đối với một cặp vật liệu dao và chi
tiết đều phải lập sơ đồ chuẩn trƣớc khi đo.

Học viên: Nguyễn Quang Định

23