Luận văn: LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CẮT NHẰM TĂNG TUỔI BỀN CỦA DAO PHAY NGÓN PHỦ PVD-TiN SỬ DỤNG PHAY KHUÔN ÉP ĐÚC ÁP LỰC SKD61

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY L ƯA CH ỌN PHẠM VĂN PHONG THÁI NGUYÊN 2007

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CẮT NHẰM TĂNG TUỔI BỀN CỦA DAO PHAY NGÓN PHỦ PVD-TiN SỬ DỤNG PHAY KHUÔN ÉP ĐÚC ÁP LỰC SKD61

Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số:23. Học Viên: TRỊNH MẠNH HÀ Người HD Khoa học : PGS.TS. PHAN QUANG THẾ

THÁI NGUYÊN 2009

Công trình được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật

Công nghiệp Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phan Quang Thế

Phản biện 1: PGS.TS. Trần Thế Lục Phản biện 2: TS. Trần Minh Đức

Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: Phòng học Cao học số 3, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào hồi 9 giờ 30 phút ngày 21 tháng 5 năm 2009

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử

Qua nghiên cứu thực tế quá trình gia công khuôn đúc áp lực, vật liệu chế tạo khuôn là SKD61: - Gia công được trên trung tâm phay VMC - 85S. - Phôi rèn được ủ đạt độ cứng (220 - 250HB). - Dụng cụ: Dao phay ngón, dụng cụ phủ TiAlN (xuất xứ Đài Loan). Quá trình gia công ở trên tồn tại hạn chế là: - Dụng cụ mòn nhanh do việc lựa chọn chế độ cắt dựa trên kinh nghiệm, chưa có cơ sở khoa học thực tế. - Tiêu tốn nhiều dụng cụ (12 con dao). nghiệm. Các bước thực hiện, nội dung chính và kết quả của luận văn: 1. Thu thập các tài liệu tham khảo. 2. Nghiên cứu lý thuyết phủ PVD, các dạng mòn, tuổi bền của dụng cụ và cách xác định. 3. Làm thực nghiệm: - Cắt các đường cắt thử (là các đường thẳng) lấy kết quả để đánh giá lựa chọn chế độ cắt dùng gia công khuôn. V = 40m/ph. S = 170mm/ph (thay đổi S = 200mm/ph để so sánh). t = 5mm (thay đổi t = 7,5mm để so sánh). - Dùng bộ chế độ cắt lựa chọn lần lượt gia công các phần tử của khuôn để so sánh. - Gia công xong 1 phần tử ta thay dụng cụ để gia công phần tử khác. Dùng máy cắt dây cắt dụng cụ, chiều dài cắt bằng chiều dày phoi (trong thí nghiệm tác giả cắt chiêu dài 3mm), rửa sạch bằng cồn, dùng máy nén khí thổi sạch bụi bẩn, dầu mỡ dính trên bề mặt dụng cụ, chụp ảnh SEM để nghiên cứu. Phân tích thành phần vật liệu trên vùng mòn dụng cụ để đánh giá, kết luận chính xác hơn. 4. Đánh giá kết quả, đưa ra cơ chế mòn dụng cụ phủ PVD- TiN khi gia công vật liệu SKD61:

Dụng cụ mòn do dính mỏi. * Kết luận: - Khi cắt thép SKD61 với tốc độ cắt lựa chọn, lượng chạy dao thay đổi khi gia công các hốc S = 170 và 200mm/phút, chiều dày phoi a = 2mm, chiều sâu cắt t = 5 và 7,5mm. Dụng cụ mòn nhưng vẫn trong giới hạn cho phép. - Mũi dao bị phá huỷ mạnh do nhiệt cắt tại mũi dao lớn nhất, ở vùng gần mũi dao mòn ít hơn và phát triển mạnh dần đến vị trí cách mũi cắt khoảng 2mm (bằng chiều dày phoi) thì dụng cụ mòn nhiều nhất, các vết nứt trên bề mặt xuất hiện nhiều nhất. * Cơ chế mòn: - Với lớp phủ: VLGC bám dính lên bề mặt, khi vượt qua giới hạn mỏi lớp phủ bị phá huy và bong ra cùng VLGC (cơ chế dính mỏi). Vùng mòn phát triển từ lưỡi cắt, sau đó phát triển rộng dần. - Với vật liệu nền: Xuất hiện các vết chảy, nứt theo biên giới hạt rồi bong ra từng mảng vật liệu làm xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt, cứ như vậy dụng cụ bị bào mòn đến khi dụng cụ không còn khả năng cắt. * Phương hướng nghiên cứu tiếp theo: - Tiếp tục nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho dụng cụ đặc biệt khi phay các cung tròn. - Tiếp tục nghiên cứu nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, đo lực cắt để làm sáng tỏ hơn cơ chế phá huỷ của lớp phủ khi phay thép SKD61. - Tiếp tục nghiên cứu cơ chế phá huỷ mũi dao, nghiên cứu mòn mặt trước của dụng cụ do các nguyên nhân khác nhau. - Tiếp tục nghiên cứu mòn dụng cụ khi phay thép SKD61 đã qua tôi kết hợp biện pháp làm mát phù hợp để có khái niệm đầy đủ hơn qua đó khai thác, sử dụng dụng cụ cắt phủ PVD-TiN một cách hiệu quả hơn.

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài:

Qua nghiên cứu thực tế quá trình gia công khuôn đúc áp lực mà sản phẩm là van

đóng mở bình ga, vật liệu chế tạo khuôn là SKD61, quá trình gia công đƣợc thực

hiện trên trung tâm phay VMC - 85S. Từ phôi rèn đƣợc ủ đạt độ cứng nhất định (35

- 37HRC), quá trình gia công thực hiện bằng dao phay ngón đƣờng kính 2, 6, 8, 10,

16mm, vật liệu dụng cụ TiAlN (xuất xứ Đài Loan) có thể gia công vật liệu có độ

cứng 55HRC. Giá thành mua dao: Dao 2: 180.000đ/con dao; dao 6:

310.000đ/con dao; dao 8: 340.000đ/con dao; dao 10: 520.000đ/con dao; dao

16: 1.700.000đ/con dao.

Một bộ khuôn gia công gồm 6 phần tử (khuôn đúc đƣợc 6 chi tiết/lần). Thời

gian gia công 12 ngày đêm, tốn 12 con dao. Quá trình gia công đƣợc chia làm 3

bƣớc:

Bƣớc 1: Phay thô bằng dao đƣờng kính 10, 16mm.

Bƣớc 2: Phay bán tinh bằng dao phay đƣờng kính 8mm.

Bƣớc 3: Gia công tinh bằng dao phay đầu cầu đƣờng kính 2, 6mm.

Sau khi gia công xong, kiểm tra đảm bảo độ chính xác kích thƣớc, mang đúc thử

1.000 lần để khuôn ổn định, đảm bảo không bị biến dạng, cong vênh, nứt nẻ, sau đó

đánh bóng và thấm Nitơ hoàn thiện.

Khi nghiên cứu quá trình gia công trên, tác giả nhận thấy: Thời gian gia công và

tiêu tốn dụng cụ lớn (tuổi bền dụng cụ thấp). Chế độ cắt đƣợc chọn nhƣ sau:

Tốc độ cắt: 2.500 vòng/phút (VC = 63m/phút).

Lƣợng chạy dao: 80 - 100 mm/phút.

Chiều sâu cắt thay đổi từ 0,8 - 1,2 mm.

Việc lựa chọn chế độ cắt ở trên chủ yếu là dựa vào kinh nghiệm, chƣa đƣợc qua

nghiên cứu, thử nghiệm, không có căn cứ khoa học cụ thể do đó tuổi bền dụng cụ

đạt thấp.

Hạn chế của quá trình gia công ở trên là: Dụng cụ mòn nhanh, tiêu tốn nhiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dụng cụ (12 con dao), tác giả thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử

nghiệm để lựa chọn vùng chế độ cắt phù hợp, làm tăng tuổi bền của dụng cụ. Vì

vậy, tác giả chọn đề tài: “Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay

ngón phủ PVD-TiN sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực SKD61” với mục đích ứng

dụng vào thực tế sản xuất là rất cấp bách và cần thiết.

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Ý nghĩa khoa học:

Tổng quát hoá ảnh hƣởng của các yếu tố chế độ cắt đến mòn, tuổi bền của dao

phay ngón phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61.

- Về mặt thực tiễn:

Là kiến thức thực tế, giúp ngƣời kỹ sƣ lập trình lựa chọn các thông số của chế

độ cắt phù hợp, làm giảm mòn, tăng tuổi bền, tiết kiệm kinh phí gia công, hạ giá

thành sản phẩm khi gia công vật liệu SKD61.

3. Lựa chọn phương pháp và phương tiện nghiên cứu:

- Lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu làm thực nghiệm để chứng minh.

- Phƣơng tiện nghiên cứu: Máy phay VMC - 85S, máy chụp tế vi, máy đo nhám,

kính hiển vi điện tử.

4. Tổ chức nghiên cứu:

a. Xác định nhân tố quan hệ:

Nhân tố quan hệ nhân quả với tuổi bền của dụng cụ là các yếu tố của chế độ cắt.

b. Chọn đại lượng đặc trưng và thông số hoá thí nghiệm:

- Chọn đại lƣợng đặc trƣng cho tuổi bền của dụng cụ:

+ Mòn mặt trƣớc.

+ Mòn mặt sau.

+ Các vết nứt tế vi, các vết cào xƣớc trên bề mặt.

- Đại lƣợng đặc trƣng cho mối quan hệ:

+ Chọn biến độc lập: Các yếu tố của chế độ cắt.

+ Thông số phụ thuộc: Mòn mặt trƣớc, mòn mặt sau, các vết nứt, vết cào

xƣớc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Xây dựng mô hình thí nghiệm:

Thông số đầu ra

Nghiên cứu quá trình gia công

Thông số đầu vào

Thông số đầu vào là hệ

Các đại lượng xuất hiện

Thông số đầu ra là chỉ tiêu

thống công nghệ

trong quá trình gia công

về kỹ thuật và kinh tế

- Trung tâm gia công - Lực cắt. 1. Sai số:

VMC-85S CNC. - Nhiệt cắt. - Kích thƣớc.

- Vật liệu chi tiết gia công - Rung động. - Hình dáng hình học.

SKD61. - Mòn và cơ chế mòn. - Vị trí tƣơng quan.

- Dụng cụ cắt (thông số 2. Chất lƣợng bề mặt.

hình học dụng cụ cắt, vật - Nhám bề mặt.

liệu dụng cụ cắt). - Cơ lý bề mặt.

- Chế độ công cắt (s, v, t) 3. Kinh tế:

- Thời gian gia công.

- Năng suất.

- Giá thành sản phẩm.

4. Tuổi bền dụng cụ

Trong giới hạn của đề tài, tác giả chỉ nghiên cứu đại lƣợng xuất hiện trong quá

trình gia công là mòn và cơ chế mòn, thông số đầu ra là tuổi bền của dụng cụ.

c. Điều kiện biên của thí nghiệm:

- Trung tâm gia công CNC: VMC - 85S.

- Dụng cụ là dao phay ngón phủ PVD-TiN.

- Vật liệu gia công SKD61.

d. Tiến hành thí nghiệm cắt thử:

- Chuẩn bị phôi, dụng cụ gia công. Đo độ cứng, xác định thành phần của phôi.

- Tiến hành cắt thử các đƣờng cắt, đo nhám, so sánh mòn dụng cụ, lựa chọn chế

độ cắt để tiến hành gia công khuôn (gia công các hốc).

- Sau khi lựa chọn đƣợc chế độ cắt, tiến hành gia công các hốc. Sau khi cắt tiến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hành chụp ảnh SEM các dụng cụ, xử lý và phân tích số liệu.

5. Nội dung nghiên cứu:

Chƣơng 1: Phủ PVD và ứng dụng trong cắt kim loại.

Chƣơng 2: Vấn đề chung về gia công các bề mặt bằng dao phay phủ bay hơi.

Chƣơng 3: Nghiên cứu về mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61.

Chƣơng 4: Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công

thép SKD61.

Chƣơng 5: Kết luận và phƣơng hƣớng nghiên cứu.

Nội dung của luận văn đƣa ra các kết quả nghiên cứu về mòn và tuổi bền của

dụng cụ cắt, so sánh kết quả với thí nghiệm đã tiến hành trƣớc đó. Phân tích các

nhân tố ảnh hƣởng đến mòn dụng cụ khi gia công với các chế độ cắt khác nhau, từ

đó đƣa ra các biện pháp khắc phục trong quá trình gia công nhằm tăng năng suất và

tuổi bền của dụng cụ.

Các nội dung trong luận văn đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn nhiệt tình của

thầy giáo PGS.TS. Phan Quang Thế, sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo công

tác tại Phòng Thí nghiệm Cơ khí và Động lực trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Thái Nguyên. Với bản thân đã có nhiều nỗ lực phấn đấu tuy nhiên trong nội dung

luân văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong đƣợc các thầy, cô giáo và các

đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ để nội dung nghiên cứu đƣợc hoàn thiện

hơn.

Em xin trân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2009

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trịnh Mạnh Hà

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1]. GS.TSKH. Bành Tiến Long, PGS.TS. Trần Sỹ Tuý, PGS.TS. Trần Thế Lục

(2001), Nguyên Lý gia công vật liệu, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[2]. GS.TS. Trần Văn Địch (2006), Nguyên Lý cắt kim loại, Nhà xuất bản khoa học

và kỹ thuật, Hà Nội.

[3]. Ph.A.Barơbasôp (1984), Kỹ thuật phay (người dịch: Trần Văn Địch), Nhà xuất

bản công nhân kỹ thuật, Hà Nội.

[4]. Phạm Quang Lê (1979), Kỹ thuật phay, Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật, Hà

Nội.

[5]. Phan Quang Thế (2002), “Nghiên cứu khả năng làm việc của dụng cụ thép gió

phủ dùng cắt thép các bon trung bình”, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trƣờng Đại học

Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội.

Tiếng Anh

[6]. T.L.Banh, Q.T.Phan and D.B.Nguyen (2005), Wear Mechanisms of PVD

Coated HSS Endmills Used to Machine 1045 Hardened Steel, AZo-OARS.

[7]. W.Y.H Liew, W.L.Teh and X.Ding (2006), Wear of Nano-Coated Carbide

Tools in End Milling of Stainless Steel, Centre of Materials and Minerals, school of

Engineering and Information Technology, Universiti Malaysia Sabah, Locked Bag

2073, Kota Kinabalu, Sabah, Malaysia.

[8]. Dr. Deepak G. Bhat (2000), Application of CVD and PVD Technologies to

Cutting Tools, and Evaluation of Tool Failure Modes, Manager,

TechnologyMraketing and Commercialization UES, Inc., OH 45432, USA.

[9]. Norihiro TAKANASHI, Hideki MORIGUCHI, Kazuo YAMAGATA, Keiichi

TSUDA, Yasuo TSUKIMORI, Yoshio FUKUYASU, Shinya IMAMURA and

Masafumi NIGOSHI (2002), Development of the “ACE COAT ACZ330” PVD-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Coated Insert for Steel Milling, Sei technical review, number 54, Japan.

Trang MỤC LỤC

1 Chƣơng 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI

1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ 1

bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition)

1.1.1. Khái niệm phủ PVD 1

1.1.2. Khái niệm phủ CVD 4

1.1.3. Tại sao phải sử dụng CVD hoặc PVD 5

1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ 5

1.1.5. Múc độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD 5

1.1.6. Phƣơng pháp nào phủ tốt hơn, PVD hay CVD 5

1.2. Ứng dụng phủ PVD 6

Chƣơng 2 - VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT 11

BẰNG DAO PHAY PHỦ BAY HƠI

2.1. Quá trình phay và phay rãnh 11

2.1.1. Khái niệm chung 11

2.1.2. Sự tạo thành bề mặt và các dạng bề mặt gia công 13

2.1.3. Những hiện tƣợng xảy ra trong quá trình cắt 14

2.1.4. Các chuyển động cơ bản khi phay 21

2.1.5. Các thành phần của bề mặt bị cắt khi phay 21

2.1.6. Các thành phần lực cắt và công suất cắt khi phay 25

2.1.7. Phay bậc và phay rãnh bằng dao phay ngón 26

2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát 27

2.2.1. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát trƣợt 27

2.2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ đến tƣơng tác ma sát trong cắt kim loại 29

2.2.3. Ảnh hƣởng của tạp chất trong thép đến tƣơng tác ma sát trong 30

cắt kim loại

2.3. Chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ 31

2.3.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt 31

2.3.2. Bản chất của lớp bề mặt 32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.3.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt 32

2.3.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ 34

2.3.4.1. Độ nhám bề mặt và phƣơng pháp đánh giá 35

2.3.4.2. Độ sóng bề mặt 35

2.3.4.3. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 35

2.3.5. Các nhân tố ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ 40

2.3.5.1. Ảnh hƣởng của thông số hình học của dụng cụ cắt 40

2.3.5.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt 41

2.3.5.3. Ảnh hƣởng cảu lƣợng chạy dao 42

2.3.5.4. Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt 43

2.3.5.5. Ảnh hƣởng của vật liệu gia công 43

2.3.5.6. Ảnh hƣởng của rung động hệ thống công nghệ 43

2.4. Mòn và tuổi bền của dụng cụ 43

43 2.4.1. Bản chất vật lý của quá trình cắt

43 2.4.1.1. Cơ chế tạo phoi

44 2.4.1.2. Ma sát trong quá trình cắt kim loại

45 2.4.1.3. Lực tác dụng lên mặt trƣớc và mặt sau của dụng cụ

46 2.4.2. Mòn dụng cụ

46 2.4.2.1. Khái niệm chung về mòn

47 2.4.2.2. Cơ chế mòn của hai bề mặt trƣợt tƣơng đối

52 2.4.2.3. Vai trò của lớp phủ cứng trong giảm mòn

54 2.4.2.4. Mòn dụng cụ và cách xác định

59 2.4.3. Tuổi bền của dụng cụ

59 2.4.3.1. Khái niệm

60 2.4.3.2. Các nhân tố ảnh hƣởng tới tuổi bền

62 2.4.3.3. Cách xác định tuổi bền của dụng cụ cắt

64 Chƣơng 3 - NGHIÊN CỨU VỀ MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN

KHI GIA CÔNG THÉP SKD61

3.1. Thí nghiệm 64

3.1.1. Dao 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.1.2. Phôi 65

66 3.1.3. Máy

66 3.1.4. Chế độ cắt

67 3.2. Kết quả thí nghiệm

67 3.2.1. Nhám bề mặt

68 3.2.2. Thời gian gia công

68 3.2.3. Phân tích kết quả

68 3.2.4. Kết luận

70

Chƣơng 4 - ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61

70 4.1. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao

70 4.1.1. Kết quả thí nghiệm

70 4.1.2. Phân tích kết quả

71 4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt

71 4.2.1. Kết quả thí nghiệm

71 4.2.2. Phân tích kết quả

71 4.3. Cơ chế mòn dao phay phủ PVD

84 4.4. Hiệu quả sử dụng dao phay phủ PVD

84 4.4.1. Kết quả đo nhám và mòn dụng cụ

84 4.4.2. Nhận xét và kết luận

85 Chƣơng 5 - KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU

85 5.1. Kết luận

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

86 5.2. Phƣơng hƣớng nghiên cứu

LỜI CAM ĐOAN

Tên em là: Trịnh Mạnh Hà.

Sinh ngày : 28 tháng 6 năm 1977.

Học viên lớp CH-K9 chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy - Trƣờng Đại học Kỹ thuật

Công nghiệp Thái Nguyên.

Đơn vị công tác : Trƣờng Trung học Kinh tế - Kỹ thuật Tuyên Quang.

Em xin cam đoan : Đề tài "Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao

phay ngón phủ PVD-TiN khi gia công khuôn ép chịu áp lực SKD61" do thầy giáo

PGS.TS. Phan Quang Thế hƣớng dẫn. Đây là công trình của riêng em. Tất cả tài

liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng.

Em xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề

cƣơng và yêu cầu cảu giáo viên hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của

luận văn thì em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2009

HỌC VIÊN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trịnh Mạnh Hà

- 1 -

Chƣơng 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI

1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý

học PVD (Physical Vapour Deposition)

Sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới cho khả năng cắt với vận tốc cắt tới vài

trăm m/phút cũng không làm mất đi vị trí quan trọng của thép gió trong cắt kim loại

vì thép gió có tính ưu việt: Khả năng dễ gia công, tạo hình được các dụng cụ có

hình dáng phức tạp, độ dai va đập cao (Khoảng 2,5 lần so với hợp kim cứng), độ

cứng nóng đáp ứng được các chế độ công nghệ trung bình và thấp, giá thành thấp.

Thép gió được dùng làm dụng cụ cho các nguyên công như: Khoan, khoét, doa,

phay rãnh…nói chung là các nguyên công gia công lần cuối. Điều kiện thoát phoi

và nhiệt ở đó thường khó khăn hơn so với tiện vì thế việc nâng cao chế độ công

nghệ và tuổi bền cho dao thép gió bằng phủ có ý nghĩa vô cùng quan trọng để nâng

cao năng suất và chất lượng gia công.

Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ PVD Phủ CVD Không phủ

4 tỷ USD 23% 0% 77% Dụng cụ thép gió

6 tỷ USD 10% 60% 30% Dụng cụ hợp kim cứng

8 tỷ USD 3% 5% 92% Dụng cụ tạo hình

18 tỷ USD 10% 22% 68% Tổng số

Bảng 1: Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong lĩnh vực tạo

hình và cắt vật liệu.

Thống kê số liệu thị trường thế giới về dụng cụ phủ cho thấy rằng chỉ sau 15

năm, phủ PVD được ứng dụng trong ngành dụng cụ thì có đến 23% các dụng cụ

thép gió, 3% dụng cụ tao hình và 10% dụng cụ hợp kim cứng được phủ bằng

phương pháp này. Nhu cầu phủ PVD cho thép gió cao gấp hơn 2 lần hợp kim cứng

cho thấy ý nghĩa quan trọng của phủ đối với thép gió trong công nghiệp. Người ta

dự đoán tốc độ sử dụng dụng cụ phủ hàng năm sẽ tăng đến 10% trong tương lai.

1.1.1. Khái niệm phủ PVD

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC - 500oC. Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ

- 2 -

PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do nhiệt độ tháp các nguyên tử khí và

kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế

âm đặt vào đó. Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thực

hiện trước khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền.

Hình 1: Cấu trúc lớp phủ

Hình 2: Bột phủ PVD

Theo nguyên tắc bay hơi, phủ PVD có 4 dạng cơ bản:

- Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp.

- Dòng điện tử có điện thế cao.

- Hồ quang.

- Phát xạ từ lệch.

Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng

suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ.

- 3 -

Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu

những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Hơn 30 năm

qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với hầu hết các

ứng dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã được sử dụng rộng rãi nhất cho

các công cụ cắt.

Bảng 2: Các dạng phủ PVD

Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid

được phân loại như phủ ngoài ma sát thấp. Những công nghệ phủ này cung cấp một

giải pháp gia công không thể thay thế được trong những vật liệu đòi hỏi tốc độ cắt

thấp và độ mài mòn cao. Phủ PVD là thành phần quan trọng của gia công tốc độ cao

vì khi tốc độ cắt tăng lên, lượng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công sẽ tăng lên

nhiều.

Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hoàn thiện bề mặt tốt hơn, hình

học chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất thông qua sự

tăng tuổi thọ công cụ. Điều này có thể được đánh giá theo hai cách:

1. Tăng tuổi thọ dao cụ dẫn đến chi phí gia công mỗi lỗ hổng hay lõi sẽ thấp

hơn.

2. Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất. Điều này có thể sẽ giữ

nguyên mức chi phí gia công nhưng sẽ tăng năng suất của xưởng sản xuất bằng

cách tăng các thông số của chế độ cắt.

Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia

công hiệu quả hơn. Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá trình sản xuất có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thể giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai.

- 4 -

Bảng 3: Khả năng gia công của vật liệu phủ

Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia

công hiệu quả hơn. Tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ được sinh

ra. Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này rất quan trọng để theo kịp các xu hướng sản

xuất trong tương lai.

Các nhà sản xuất hiện nay vẫn không ngừng tìm kiếm những biện pháp duy trì

khả năng cạnh tranh trong một thị trường cạnh tranh cao đồng thời để tăng lợi

nhuận. Thường thì các nhà sản xuất phải đối mặt với việc mua thiết bị mới hay thuê

thêm nhân viên để đạt được mục tiêu này. Tuy nhiên, bằng cách phân tích quá trình

gia công và ứng dụng một số công nghệ phủ ngoài hiện đại, các xưởng gia công có

thể tìm ra một giải pháp chi phí thấp nhằm làm tăng năng suất, tăng lợi nhuận hay

cả hai.

1.1.2. Khái niệm phủ CVD

Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ các lớp

mỏng ceramics như TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cương nhân tạo…với chiều dày

5 m ÷ 10 m. Chi tiết phủ được đặt và nung nóng trong buồng kín chứa khí H2

(dưới áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn). Các hợp chất bay hơi được đưa vào buồng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

này để tạo ra các thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học. Nhiệt độ của quá trình từ 800o đến 1050o và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ.

- 5 -

1.1.3. Tại sao phải sử dụng phủ PVD hoặc CVD

Chưa quan tâm tới các ứng dụng cụ thể, lý do chính để sử dụng PVD hoặc CVD

hết sức đơn giản, đó là bài toán kinh tế: Làm giảm chi phí trên mỗi sản phẩm.

Bài toán tiết kiệm chi phí được xác định dễ dàng như sau:

Giảm thời gian gia công, thời gian thay dụng cụ + Tăng tốc độ gia công = Tiết

kiệm.

1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ

Mặc dù mỗi phương pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánh

giá hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trưng chính được chọn làm cơ

sở, đó là: độ cứng và ma sát.

Vật liệu Thép dụng cụ HSS Hợp kim cứng PVD & CVD

Độ cứng (HRC) 58 - 62 62 - 65 70 - 76 > 80

Bảng 4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ

So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều.

Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa là sẽ làm

giảm áp lực tác dụng. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát sẽ làm

giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm chậm quá trình phá hủy

lưỡi cắt. Còn trong các ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự

bám dính của vật liệu cho phép quá trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn.

1.1.5. Mức độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD

Theo các đánh giá sơ bộ, tuổi thọ dụng cụ khi phủ thường gấp từ 2 -3 lần so với

khi không phủ. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, ứng dụng cụ thể còn cho thấy

tuổi thọ có thế tăng gấp 10 lần.

1.1.6. Phương pháp phủ nào tốt hơn, PVD hay CVD

Có nhiều vấn đề khác nhau cần phải tính toán khi trả lời câu hỏi này như ứng

dụng, vật liệu nền và dung sai dụng cụ.

Đơn giản là khi dung sai và vật liệu cho phép, CVD sẽ có ưu thế hơn trong

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các ứng dụng tạo hình biến dạng kim loại có ứng

- 6 -

suất cao. Các quá trình phủ CVD tạo ra các liên kết kiểu khuếch tán giữa lớp phủ và

nền, liên kết này lớn hơn nhiều so với liên kết được tạo ra trong PVD.

Quá trình phủ CVD được thực hiện ở nhiệt độ cao, khoảng 800oC đến 1050o.

Đặc điểm này có thể làm hạn chế cho việc phủ CVD trong một số trường hợp.

Quá trình phủ PVD thực hiện được trên một diện rộng hơn, với nhiều nền và ứng dụng khác nhau. Đó là vì được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (400oC đến

500oC) với độ dày trung bình 2 - 5 m.

Với đặc tính này thì rất lý tưởng cho việc phủ PVD cho các dụng cụ cắt thép gió

(HSS), hợp kim cứng cũng như các chi tiết đòi hỏi dung sai chặt chẽ như các chi tiết

khuôn mẫu... Hơn nữa, nhiệt độ quá trình thấp nghĩa là sai lệch về điểm “0” sẽ được

tiến hành trên hầu hết các vật liệu, miễn là nhiệt độ rút ra chính xác vẫn được duy

trì.

1.2. Ứng dụng phủ PVD:

Phủ PVD có 4 dạng cơ bản:

- Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp

- Dòng điện tử có điện thế cao

- Hồ quang

- Phương pháp phát xạ từ lệch

Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng

suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới

5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ.

Phương pháp dùng dòng điện tử có điện thế thấp như hình 3 (a) dùng để phủ

TiN và TiCN sử dụng dòng điện tử 100V để bay hơi Ti. Mức độ ion hoá của kim

loại bay hơi và khí phản ứng cao, tuy nhiên hệ thống này chỉ phủ các chi tiết có kích

thước không lớn. Tốc độ phủ thấp.

Các dụng cụ có kích thước lớn thường được phủ bằng dòng điện tử có điện thế

cao như hình 3 (b). Tốc độ phủ cao, tuy nhiên điện thế 10000V làm giảm khả năng

ion hoá của dòng kim loại bay hơi và phản ứng vì thế người ta sử dụng một hệ ba

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cực để tăng mức độ ion hoá cho hệ thống. Hệ thống này chỉ phủ được TiN và TiCN.

- 7 -

Hình 3: Sơ đồ 4 phương pháp phủ PVD cơ bản

(a) Dòng điện tử có điện thế thấp

(b) Dòng điện tử có điện thế cao

(c) Hồ quang

(d) Phát xạ từ lệch

Sơ đồ bay hơi bằng hồ quang được dùng để phủ TiAlN hình 3(c). Tuy nhiên

hợp kim TiAl để bay hơi phải ở thể rắn nguyên khối. Hệ thống này có thể tạo ra lớp phủ mỏng đến 2000A và tạo nên lớp khuếch tán giữa nền và lớp phủ. Nhược điểm

chủ yếu của phương pháp này là sự tạo thành các hạt Ti trên bề mặt lớp phủ, tuy

nhiên nhược điểm này có thể khắc phục được nhờ lưới lọc.

Phương pháp phát xạ từ lệch có thể tạo nên bất kỳ lớp phủ nào hình 3 (d). Các

điện cực âm tạo nên một plasma của các ion khí trơ làm bật các nguyên tử của kim

loại bay hơi ra khỏi bề mặt, tạo thành lớp phủ trên bề mặt chi tiết sau khi tác dụng

với khí phản ứng. Nam châm vòng ngoài của các điện cực âm phát xạ được chế tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mạnh hơn (lệch) so với bên trong để tạo nên một plasma ở vùng chi tiết phủ.

- 8 -

Phủ PVD đã mở rộng phạm vi sử dụng của thép gió. Ví dụ: Dao phay lăn răng

thép gió phủ PVD trong một số trường hợp tỏ ra tốt hơn dao gắn mảnh các bít.

Hơn nữa phủ PVD còn có thể phủ được ở trạng thái không cân bằng nhiệt mà

CVD không thể thực hiện được. Ví dụ: Phủ hợp chất kim cương nhân tạo với các

hạt các bít siêu nhỏ WC/C.

Ưu điểm của phủ PVD là cơ sở cho việc phủ các lớp bôi trơn cùng với các lớp

phủ cứng như MoS2 và WC/C. Chẳng hạn các lưỡi cắt của mũi khoan cần được bảo

vệ bằng các lớp phủ cứng nhưng các bề mặt rãnh thoát phoi cần được phủ bằng lớp

giảm ma sát. Điều này mở ra một triển vọng mới về ứng dụng của phủ PVD cho các

dụng cụ ép, dập và các chi tiết máy chính xác.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 4: Hình ảnh một số thiết bị phủ và sơ đồ thiết bị phủ PVD

- 9 -

Hình 5: Các dụng cụ được ứng dụng phủ PVD

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng 5: Ứng dụng của phủ PVD

- 10 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng 6: Giới thiệu các dạng phủ PVD

- 11 -

Chƣơng 2 - VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT BẰNG DAO

PHAY PHỦ BAY HƠI

2.1. Quá trình phay và phay rãnh

2.1.1. Khái niệm chung

Quá trình cắt khi phay phức tạp hơn khi tiện. Khi tiện, dao tiện dao luôn tiếp

xúc với chi tiết và cắt phoi với tiết diện không thay đổi. Trong tất cả các trường hợp

phay, phoi được cắt rời từng mảnh có chiều dày thay đổi. Ngoài ra khi phay, ở mỗi

vòng quay của dao, mỗi răng của dao phay lúc vào chỉ tiếp xúc với chi tiết gia công

còn lúc ra thì không tiếp xúc. Lúc răng ăn vào chi tiết gia công có xảy ra hiện tượng

va đập.

Như vậy, điều kiện làm việc của dao phay nặng hơn rất nhiều so với điều kiện

làm việc của dao tiện. Cho nên cần phải biết các quy luật cơ bản của quá trình phay

để trong trường hợp cụ thể khi điều kiện gia công tốt nhất thì đạt được năng suất

cao nhất.

Phay là một phương pháp gia công cắt gọt kim loại. Đó là quá trình cắt đi một

lớp kim loại (hay còn gọi là lượng dư gia công để tạo thành phoi) trên bề mặt của

phôi để được chi tiết có hình dáng, kích thước, độ chính xác, độ bóng theo yêu cầu

kỹ thuật trên bản vẽ. Quá trình đó được thực hiện trên các máy phay (gọi chung là

máy công cụ hay máy cắt kim loại) bằng các loại dao phay, mũi khoan…gọi chung

là dụng cụ gia công cắt gọt.

Phay là phương pháp gia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn cấp 3-4

và độ bóng không hơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công đạt năng

suất cao nhất. Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt phẳng, định

hình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren,

bánh răng…

Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độ bóng, độ

chính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùng trong sản xuất

đơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối. Số lượng nguyên công gia công cắt gọt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

đạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyên công phay cũng chiếm một

- 12 -

tỷ lệ lớn. Máy phay có số lượng nhiều, chiếm tỷ lệ lớn và giữ một vị trí quan trọng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí.

- 13 -

Hình 6: Hình ảnh các dạng dao phay ngón

Dao phay là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, trong quá trình cắt ngoài những đặc

điểm giống quá trình cắt khi tiện, còn có những đặc điểm sau:

- Dao có một số lưỡi cắt cùng tham gia cắt, nên năng suất cắt khi phay cao hơn

khi bào.

- Lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lượng thân dao

phay thường lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt.

- Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung động trong quá

trình cắt.

- Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khả năng tồn tại

lẹo dao ít.

2.1.2. Sự tạo thành bề mặt và các dạng bề mặt gia công

Hình dạng bề mặt các chi tiết, dụng cụ gia công cơ khí rất đa dạng. Khi một

điểm chuyển động tạo thành một đường, khi một đoạn thẳng (gọi là đường sinh)

chuyển động liên tục dựa trên một đường khác (gọi là đường chuẩn) tạo thành một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mặt. Đó là quỹ đạo của một điểm hay một đường.

A’’

A’’

A’

B’’

(a)

A’

A

(b)

B’

A

B

- 14 -

Hình 7: Quỹ đạo của một điểm (a) và một đoạn thẳng (b)

Hình 7 Giới thiệu một số ví dụ tạo hình các bề mặt điển hình: mặt phẳng, mặt

nón, mặt trụ, mặt cầu, mặt thân khai, mặt khai triển…

Chuyển động tương đối giữa đường sinh và đường chuẩn gọi là chuyển động tạo

hình bề mặt gia công, đó là chuyển động tương đối giữa dao và phôi để hình thành

nên bề mặt gia công, chúng có thể là chuyển động đơn giản hoặc phức tạp theo các

phương pháp chép hình, bao hình, quỹ tích (theo vết) và phương pháp tiếp xúc.

Hình 8: Các dạng bề mặt chi tiết gia công

2.1.3. Những hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt:

Quá trình cắt kim loại khi phay về nguyên tắc không khác quá trình cắt khi tiện.

Ở đây tập trung nghiên cứu một số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt. Lớp kim

loại được cắt gọi là phoi, có thể có nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện

gia công. Theo giáo sư I. A. Timê thì phoi có các dạng sau đây: Phoi dây, phoi xếp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

và phoi vụn.

- 15 -

- Hiện tượng lẹo dao

Khi gia công vật liệu dẻo, trong một số trường hợp ở mặt trước của dao hình

thành lẹo dao. Đó là một mẩu vật liệu gia công có hình dạng chêm gắn chặt vào mặt

trước của dao, nó bị biến dạng mạnh nên có độ cứng cao. Mảnh kim loại này liên

tục được tách ra cùng với phoi rồi lại được tạo thành. Thực ra nó là phần cắt của

dụng cụ và bảo vệ lưỡi cắt khỏi bị mòn. Tuy vậy, nếu mặt trước của dao hình thành

lẹo dao thì chất lượng bề mặt gia công sẽ giảm. Vì thế khi gia công tinh cũng như

khi cắt ren, lẹo dao là một hiện tượng xấu. Để khử lẹo dao, cần phải mài bóng mặt

trước của dao thật cẩn thận hoặc thay đổi tốc độ cắt (thường thường tăng tới

30m/phút hoặc cao hơn), đồng thời cũng có thể sử dụng dung dịch trơn nguội trong

từng điều kiện gia công cụ thể.

- Sự co rút phoi

Trong quá trình cắt phoi bị biến dạng và ngắn hơn so với phần chi tiết được cắt

ra. Hiện tượng phoi bị ngắn theo chiều dài được gọi là sự co rút của phoi theo chiều

dài. Thể tích của kim loại khi bị biến dạng thực tế không thay đổi. Vì vậy, trong khi

chiều dài của phoi giảm thì diện tích tiết diện ngang của phoi tăng. Diện tích tiết

diện ngang của phoi tăng được gọi là sự co rút của phoi theo chiều ngang.

- Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt

Trong quá trình cắt chi tiết gia công, dụng cụ cắt và phoi bị nung nóng. Khi tăng

tốc độ cắt, đặc biệt là khi cắt các phoi mỏng, nhiệt độ trong vùng cắt sẽ tăng tới 600oC. Nếu tốc độ cắt tiếp tục tăng, trong nhiều trường hợp phoi cắt sẽ bị nung nóng tới 900oC (màu đỏ sáng). Trong trường hợp này, trên bề mặt gia công của vật

liệu thép có thể thấy nhiều màu sắc biến đổi chứng tỏ nhiệt độ ở lớp bề mặt của chi

tiết trong thời gian tiếp xúc với mặt sau của dụng cụ lên rất cao. Nhiệt độ ở vùng cắt

tăng là do có hiện tượng cơ năng chuyển thành nhiệt năng trong quá trình cắt.

Uxachôp đã chứng minh rằng, nhiệt độ ở phoi chiếm 60-80% toàn bộ nhiệt tạo

thành khi cắt, ở dụng cụ 10-40%, còn ở chi tiết gia công 3-10%, nhiệt phân bố

không đều trên cả phoi và dụng cụ cắt. Ở dụng cụ cắt, khi làm việc liên tục thì nhiệt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hầu như cố định sau mấy phút làm việc. Thực tế thì nhiệt trong chi tiết được cân

- 16 -

bằng ngay sau khi gia công xong. Nhiệt trong vùng cắt ảnh hưởng lớn tới toàn bộ

quá trình cắt gọt và các hiện tượng sinh ra trong quá trình đó (như lẹo dao, mòn

dao…) Vì thế hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt phải được chú ý thích đáng.

Hình 9: Trường nhiệt độ trong dụng cụ gia công, phoi và vật liệu

Tạo phoi trong quá trình cắt và thoát phoi khỏi vùng cắt làm xuất hiện một hiện

tượng nhiệt nhất định. Nhiệt cắt xuất hiện bằng sự chuyển đổi từ công cắt, gần như

tất cả công cần thiết trong quá cắt đều biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi

và công kín (tổng của hai loại công này nhỏ, không vượt quá 5%). Trong trường

hợp hệ thống công nghệ cứng vững thì công biến dạng đàn hồi và công kín cực đại

là 2% của công cắt, phần còn lại chuyển thành nhiệt trong quá trình cắt.

Các nghiên cứu cũng đã chứng tỏ rằng khoảng 97 - 98% công suất cắt biến

thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (qua mặt trượt AB), mặt trước AC và mặt sau AD (nhiệt độ sinh ra tại vùng cắt có thể đến 13000C), thể hiện trên hình 9.

Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường với tỷ lệ khác

nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và

môi trường. Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:

Q = Qmặt phẳng trượt + Qmặt trước + Qmặt sau

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì nhiệt lượng này sẽ truyền vào hệ thống

dao, phoi, phôi và môi trường theo công thức sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Q = Qdao + Qphoi + Qphôi + Qmt

- 17 -

Hình 10: Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong quá trình cắt

Biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, ma sát giữa vật liệu gia

công với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở

vùng gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá huỷ bộ phận

đến hoàn toàn khả năng làm việc của lưỡi cắt. Nhiệt cắt và nhiệt độ trong dụng cụ

cắt tăng khi cắt với vận tốc cắt cao và lượng chạy dao lớn.

Hình 11: Mối quan hệ giữa tốc độ cắt, lượng mòn mặt sau đến nhiệt độ trên mặt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

trước dụng cụ cắt

- 18 -

Nhiệt của phoi tại thời điểm cụ thể ở khoảng khắc tức thời có thể coi là kết quả

tác động của hai nguồn: nguồn nhiệt trên mặt cắt (mặt trượt) biến dạng đàn hồi bậc

nhất và nguồn ma sát trên mặt trước.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết của trường nhiệt độ khi gia công

đã rút ra một số kết luận:

- Trường nhiệt độ khi gia công là không ổn định.

- Nhiệt độ của môt điểm xác định (x, y, z) phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Tính chất vật lý của vật liệu dụng cụ và chi tiết.

+ Điều kiện cắt.

+ Phương pháp gia công (khoan, tiện, phay, mài).

+ Môi trường cắt.

Từ quan điểm ứng dụng thực tiễn chúng ta quan tâm trước tiên đến trường nhiệt

độ của dụng cụ (vì lý do kinh tế) và trường nhiệt độ của chi tiết gia công (vì lý do

chất lượng). Trường nhiệt độ và nhiệt độ trung bình của chi tiết gia công có ảnh

hưởng đến độ chính xác kích thước và trạng thái lớp bề mặt của chi tiết gia công

(biến cứng và ứng suất dư).

n = 63 vòng/phút n = 63 vòng/phút n = 90 vòng/phút

s = 0,057mm/răng s = 0,112mm/răng s = 0,112mm/răng

h = 3mm h = 3mm h = 3mm

Hình 12: Trường nhiệt độ chi tiết khi phay với các chế độ cắt khác nhau

Trên hình 12 là ảnh hưởng của chiều dày phoi (lượng chạy dao Sz) đến sự phân

bố nhiệt độ trong chi tiết khi phay. Khi tăng chiều dày thì tăng thì tăng nhiệt độ

trung bình của chi tiết gia công và chiều sâu đẳng nhiệt với > 20oC dưới bề mặt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cắt. Trường hợp đặc biệt trường nhiệt độ ở chiều dày phoi cắt nhỏ, gần với lát cắt

- 19 -

(ăn khớp) tối thiểu, ngược lại khi giảm chiều dày thì dẫn đến tăng nhiệt độ của chi

tiết gia công.

Ở các loại dụng cụ làm việc không liên tục (khi phay) và khả năng dẫn nhiệt

kém thì những sự va đập và sự chênh lệch nhiệt lớn có thể dẫn đến việc xuất hiện

những vết nứt, rạn dụng cụ.

n = 63vg/ph, s = 112mm/ph, h = 3mm n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 2mm

n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 1mm n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 3mm

Hình 13: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến trường nhiệt độ của dao phay

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trường nhiệt độ của dụng cụ không những cho

biết một cách tổng quát về sự phân bố đẳng nhiệt ở lưỡi cắt mà còn có khả năng

đánh giá ảnh hưởng của điều kiện cắt đến trường nhiệt độ của dụng cụ. Trường

nhiệt độ của dụng cụ, trước hết nhiệt độ của các lớp bề mặt mà chúng được xác định

do tác động của phoi và bề mặt cắt, có ảnh hưởng đến khả năng tổng thể của dụng

cụ chống lại mài mòn. Tăng nhiệt độ của lớp bề mặt thì phần lớn có hậu quả là tăng

cường độ biến cứng của tất cả các dạng mài mòn.

Nhiệt độ của của các lớp bề mặt trước và sau có ảnh hưởng rõ nét đến trạng thái

của những lớp bề mặt này, đến đặc tính của sự tác động tương hỗ của chúng với vật

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

liệu của chi tiết gia công và đến cả bản chất và cường độ mài mòn dụng cụ. Xét về

- 20 -

mặt mài mòn của dụng cụ thì chúng ta quan tâm đến nhiệt độ cực đại trên mặt trước

và mặt sau và cả sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này.

Ví dụ: xác định nhiệt độ trung bình của toàn bộ bề mặt tiếp xúc của dụng cụ với

phoi và chi tiết gia công tức là của các phần hoạt động của mặt trước và mặt sau

cùng đồng thời. Đương nhiên nhiệt độ trung bình thấp hơn nhiệt độ cực đại trên lưỡi

cắt nhưng nó có ưu điểm là có thể xác định một cách dễ dàng hơn.

Từ quan điểm thực tiễn kỹ thuật thì nhiệt cắt trung bình các điểm tiếp xúc của

vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ cắt là có ý nghĩa nhất. Nhiệt độ này có ảnh

hưởng quyết định đến tính chất cơ học và vật lý của các lớp bề mặt tiếp xúc, tức là

ảnh hưởng đến quá trình mài mòn của dụng cụ. Độ chính xác của chi tiết gia công

bị ảnh hưởng bởi sự nung nóng nó trong quá trình cắt. Độ nung nóng của chi tiết

được đặc trưng bằng nhiệt độ trung bình.

Dụng cụ bị mài mòn làm thay đổi hình học của phần cắt và làm cho nhiệt cắt

thay đổi. Sự thay đổi nhiệt cắt phụ thuộc và đặc tính mài mòn của dụng cụ cắt. Khi

tăng rãnh lõm trên mặt trước thì nhiệt độ tại điểm tiếp xúc trên mặt trước có phần

giảm đi, bởi vì giảm góc cắt. Đó là nguyên nhân dẫn tới chiều dày cắt trung bình có

cả mòn mặt trước và mặt sau làm nhiệt cắt tăng dần với sự mài mòn lưỡi cắt nhưng

tăng chậm hơn ở các loại phoi có chiều dày cắt nhỏ khi mài mòn chỉ diễn ra ở mặt

sau.

Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì thông thường nhiệt độ cắt giảm nhanh vì

ngoài tác dụng làm nguội, dung dịch còn có tác dụng bôi trơn làm giảm ma sát trong

quá trình cắt. Hiệu quả làm nguội càng lớn thì nhiệt cắt càng giảm nhiều.

Đặc thù của quá trình gia công cũng ảnh hưởng đến nhiệt cắt. Ví dụ khoan lỗ

sâu, tiện lỗ trong, tiện cắt đứt…thì nhiệt cắt sẽ lớn hơn. Sử dụng dung dịch trơn

nguội trong trường hợp này có hiệu quả lớn đến tuổi bền của dụng cụ.

Trong nghiên cứu này tác giả không sử dụng dung dịch trơn nguội mà sử dụng

luồng khí để thổi phoi khỏi cùng cắt, tạo điều kiện phoi thoát ra được dễ dàng,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

không ảnh hưởng đến dụng cụ gia công.

- 21 -

2.1.4. Các chuyển động cơ bản khi phay

Chuyển động cơ bản là các chuyển động để thực hiện quá trình cắt gọt, hình

thành các bề mặt chi tiết gia công, bao gồm:

- Chuyển động chính (chuyển động cắt): là chuyển động chủ yếu thực hiện quá

trình cắt tạo ra phoi, ký hiệu là V hoặc n. Chuyển động chính khi phay là chuyển

động quay tròn của dao phay được truyền dẫn qua trục chính.

- Chuyển động chạy dao S là chuyển động để thực hiện quá trình cắt tiếp tục và

cắt hết chiều dài chi tiết. Đó là chuyển động dọc, ngang hoặc thẳng đứng của bàn

máy phay có gá phôi. Chúng thường vuông góc với trục dao.

2.1.5. Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay

Các thông số của yếu tố cắt và chế độ cắt khi phay bao gồm chiều sâu lớp cắt to,

lượng chạy dao S, vận tốc cắt V, chiều sâu phay t, chiều rộng phay B, chiều dày cắt

a. Khi phay các yếu tố này ảnh hưởng đến tuổi bền của dao, chất lượng bề mặt gia

công, công suất cắt và năng suất cắt.

- Chiều sâu cắt to

Chiều sâu cắt là kích thước lớp kim loại được cắt đi ứng với một lần chuyển

dao, đo theo phương vuông góc với bề mặt gia công (mm).

- Lượng chạy dao S

Được phân làm 3 loại:

+ Lượng chạy dao răng Sz: là lượng dịch chuyển của bàn máy (mang chi tiết gia

công) sau khi dao quay được một góc răng (mm/răng).

+ Lượng chạy dao vòng Sv: là lượng dịch chuyển của bàn máy khi dao quay

được một vòng (mm/vòng). Sv = Sz.Z

+ Lượng chạy dao phút Sph: là lượng dịch chuyển của bàn máy sau thời gian

1phút (mm/phút). Sph = Sz.Zn

- Tốc độ cắt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tốc độ cắt khi phay được biểu diễn:

- 22 -

(2-1)

Dấu (+) ứng với trường hợp phay nghịch, dấu (-) ứng với trường hợp phay

thuận.

.D.n/1000 (m/phút) Trong đó: Vn =

Vs = SzZn (mm/phút)

Thực tế giá trị Vs rất nhỏ so với Vn khi tính toán chế độ cắt người ta thường bỏ

qua lượng Vs, khi đó công thức 2-1 có dạng:

.D.n/1000 (m/phút) Vc = Vn =

Và quỹ đạo của lưỡi cắt là vòng tròn có phương trình sau:

(2-2)

x = RSin

y = R(1 - cos )

- Chiều sâu phay t

Chiều sâu phay là kích thước lớp kim loại được cắt đi, đo theo phương vuông

góc với trục của dao phay ứng với góc tiếp xúc .

Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều sâu phay bằng đường kính dao, khi

phay bề mặt vuông góc thì chiều sâu phay bằng chiều sâu cắt to.

- Chiều rộng phay B

Chiều rộng phay là kích thước lớp kim loại được cắt theo phương chiều trục của

dao phay. Khi phay bằng dao phay ngón thì chiều rộng phay bằng chiều sâu rãnh,

khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu thì chiều rộng phay bằng chiều sâu cắt

to (B = to).

- Góc tiếp xúc

Là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc t giữa dao và chi tiết.

Khi phay bằng dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa và dao phay định hình

góc tiếp xúc được tính theo công thức sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Cos = 1 - 2t/D hay Sin = (2-3)

- 23 -

Hình 14: Góc tiếp xúc khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón

Khi phay đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì: Sin = (2-4)

Khi phay không đối xứng bằng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón thì:

= +

Sin = - 1 (2-5)

= + arsin( - 1) (2-6)

Hình 15: Phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón

- Chiều dày cắt a khi phay

Chiều dày cắt khi phay là một trong những yếu tố quan trọng của quá trình

phay. Chiều dày cắt khi phay là khoảng cách giữa hai vị trí kế tiếp của quỹ đạo

chuyển động của một điểm trên lưỡi cắt ứng với lượng chạy dao răng Sz.

Ở trên ta coi gần đúng quỹ đạo chuyển động tương đối của lưỡi cắt là đường

tròn, do đó chiều dày cắt a được đo theo phương đường kính của dao. Trong qúa

trình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số amin đến amax hoặc từ amax đến amin tuỳ

theo phương pháp phay.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu:

- 24 -

Hình 16: Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu

Từ hình 16 cho sơ đồ tính toán chiều dày cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu.

Sau khi bàn máy dịch chuyển một đoạn Sz thì quỹ đạo của lưỡi cắt dịch chuyển từ vị

trí 1 đến vị trí 2 và lưỡi dao cắt một lớp kim loại có chiều dày là aM thay đổi phụ

thuộc vào vị trí của điểm M (nghĩa là phụ thuộc vào vị trí của góc )

Theo hình 16, ta có:

(2-7) aM = nsin

Trong đó: là góc nghiêng chính

Ta có thể coi tam giác CMN là tam giác vuông với góc CMN = 900 do đó:

(2-8) n = Szcos

Thay (2-8) vào (2-7) ta có:

(2-9) aM = Szcos sin

xác định Công thức trên biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dày cắt aM với góc

vị trí tức thời của một răng khi đang cắt.

- Chiều rộng của lớp cắt khi phay

Khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón, chiều rộng lớp cắt giống như

khi tiện là một lượng không đổi.

Trường hợp = 0 thì b = (2-10)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trường hợp 0 thì b = (2-11)

- 25 -

Đối với dao phay trụ răng thẳng thì b = B

- Diện tích cắt khi phay

Diện tích cắt do n răng đồng thời tham gia cắt là:

(2-12) F = SzB

Từ công thức (2-12), ta thấy diện tích cắt là một lượng thay đổi. Diện tích cắt

thay đổi làm cho lực cắt thay đổi trong giới hạn Fmax và Fmin. Song trong thực tế

không phải bao giờ ta cũng cần đến lực cắt tức thời mà nhiều lúc phải tính lực cắt

trung bình. Do đó ta cần xác định diện tích cắt trung bình:

(2-13) Ftb = atbbn

Từ công thức n = ta có (mm) atb =

ta có n = và b = B Từ atb =

Thay thế các đại lượng trên vào (2-13) ta có:

(2-14) Ftb =

2.1.6. Các thành phần lực cắt và công suất cắt khi phay

- Lực cắt tổng R tác dụng lên một răng dao phay cũng như lực cắt khi tiện có thể

được phân thành những lực thành phần theo các phương xác định.

Khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng ta có:

hoặc

Trong đó:

Pz: lực vòng hay còn gọi là lực tiếp tuyến, là lực chính để tạo phoi.

Pr: lực hướng kính tác dụng vuông góc với trục chính, có xu hướng làm

võng trục gá dao, đồng thời tạo ra một áp lực trên các ổ của trục chính.

Pd: thành phần lực thẳng đứng, tuỳ theo phay thuận hay nghịch mà nó

tác dụng đè chi tiết xuống hay nâng chi tiết lên.

Ta có quan hệ sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Pd = Pzsin i Prcos i (dấu + khi phay thuận và ngược lại) (2-15)

- 26 -

Pn là thành phần lực nằm ngang hay là lực chạy dao vì nó có phương trùng với

phương chạy dao. Tuỳ theo phay thuận hay phay nghịch mà nó có tác dụng làm

tăng hay giảm độ dơ cơ cấu truyền động chạy dao. Tính toán cơ cấu chạy dao cũng

như đồ gá kẹp chi tiết ta có:

Pd = Pzcos i Prsin i (dấu + khi phay nghịch và ngược lại) (2-16)

- Công suất cắt hiệu dụng Ne: là công suất cần thiết để thực hiện quá trình cắt gọt

(không kể hệ số có ích của máy). Nó bằng tích giữa lực Pz và tốc độ cắt v.

Trong trường hợp này công thức để tính công suất có dạng:

(2-17) Ne = Pz.v/6120 (kW)

Dựa theo lực Pz, ta xác định mômen xoắn M:

(2-18) M = Pz.D/2 (kGm)

2.1.7. Phay bậc và phay rãnh bằng dao phay ngón

Bậc và rãnh được gia công bằng dao phay ngón trên các máy phay ngang và

máy phay đứng. Dao phay ngón được chế tạo với răng trung bình và răng lớn. Dao

phay răng trung bình để gia công tinh và bán tinh, còn dao phay răng lớn dùng gia

công thô.

Hình 17: Phay lỗ chữ nhật trên phôi hộp, phay bậc bằng dao phay ngón

Độ chính xác của rãnh theo chiều rộng khi gia công bằng dao định kích thước

(phay đĩa và dao phay ngón) phụ thuộc vào độ chính xác của dao, độ chính xác và

độ cứng vững của máy, độ đảo của dao khi kẹp trên trục chính. Nhược điểm của dao

định kích thước là kích thước giảm khi dao bị mòn và sau khi mài sắc lại.

Để đạt kích thước chính xác theo chiều rộng của rãnh có thể phay làm hai bước:

thô và tinh. Khi phay tinh, dao phay chỉ cắt rãnh theo chiều rộng và như vậy kích

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thước đảm bảo trong thời gian dài.

- 27 -

Trong quá trình gia công rãnh bằng dao phay ngón, phoi phải được thoát lên

phía trên theo các rãnh thoát để bề mặt gia công không bị phá hoại và các răng của

dao không bị gãy. Tuy nhiên thành phần lực cắt hướng trục Px có hướng từ trên

xuống dưới và có xu thế kéo dao ra khỏi trục chính. Vì vậy, khi phay rãnh cần phải

kẹp dao vững hơn khi gia công các bề mặt hở.

Hình 18: Phay rãnh then bằng dao phay ngón

Cũng trong trường hợp gia công bằng dao phay trụ và dao phay mặt đầu, chiều

quay của dao và hướng của rãnh xoắn cần phải ngược nhau, vì trong trường hợp đó

thành phần lực cắt hướng trục sẽ hướng vào trục chính và siết chặt dao hơn.

Các công dụng khác của dao phay ngón: ngoài việc gia công bậc và rãnh, dao

phay ngón còn được sử dụng để gia công các bề mặt khác nhau trên máy phay đứng

và máy phay ngang. Ví dụ: dao phay ngón để gia công các mặt hở nằm ngang, đứng

và nghiêng.

2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát

2.2.1. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trượt

Theo Arnell cả ma sát và mòn đều phục thuộc vào kiểu biến dạng tại chỗ tiếp

xúc ở đỉnh các nhấp nhô, tức là phục thuộc vào chỉ số biến dạng dẻo hoặc độ cứng

hoặc mô đun đàn hồi. Lớp phủ có thể làm thay đổi cả kiểu và mức độ biến dạng ở

chỗ tiếp xúc vì lớp phủ và nền đã tạo nên một hệ composite. Điều này tạo ra những

thay đổi vô cùng quan trọng trong hệ thống ma sát, mòn và bôi trơn. Komvopoulos

và đồng nghiệp đã tiến hành thí nghiệm về mòn của đầu phủ TiN và đĩa, họ thấy

rằng biến dạng tại chỗ tiếp xúc trượt chủ yếu là đàn hồi khi lớp phủ chưa bị vỡ và

mòn hầu như bằng không.

Holmberg cho rằng tỷ số độ cứng của lớp phủ và nền là một thông số rất quan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

trọng ảnh hưởng tính chất ma sát của bề mặt phủ với bề mặt đối tiếp.

- 28 -

Theo công thức:

; Lực ma sát : F = Ar . =

Hệ số ma sát trượt: f = = =

Để giảm F thì cả Ar và đều phải nhỏ, nghĩa là nền phải cứng và lớp phủ phải

mềm. Lớp phủ có độ cứng cao sẽ không có tác dụng giảm ma sát trừ khi một lớp

màng mỏng có sức bền cắt thấp hình thành trên bề mặt của lớp phủ, hoặc trên đỉnh

các nhấp nhô. Theo các nghiên cứu trước, lớp màng mỏng trên bề mặt lớp phủ có

thể hình thành do tương tác hoá học với thép trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao

và cao. Hệ số ma sát trượt giữa TiN và thép thay đổi trong khoảng 0,01 đến 0,6 có

thể giải thích sự tạo thành và không tạo thành lớp màng mỏng trên bề mặt tiếp xúc

chung. Lớp màng mỏng Fe2O3 và TiO2 đã được phát hiện trong các nghiên cứu của

Holmberg khi quan sát đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN. Hendenqvist và Olsson

đã phát hiện lớp màng mỏng Silica tạo thành trên bề mặt lớp phủ khi dùng đầu thép

trượt trên đĩa thép phủ TiN.

Holmgerg cho rằng, lớp phủ cứng có khả năng ngăn cản các nhấp nhô bề mặt

đâm sâu vào nhau và cào xước lên nhau dẫn đến giảm ma sát và mòn. Tuy nhiên,

Van Stappen cho rằng lớp phủ chỉ có khả năng giảm thành phần cào xước của lực

ma sát nếu như các hạt cứng trong vật liệu đối tiếp nhỏ đáng kể so với chiều dày của

lớp phủ. Độ cứng cao của lớp phủ còn có tác dụng giảm thành phần biến dạng của

lực ma sát. Ví dụ: Độ cứng của TiN là 2200-2500kg/mm2; của TiCN là 2800-3200kg/mm2

cao hơn rất nhiều so với độ cứng của thép ở trạng thái ủ.

Vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tương tác ma sát

của hệ phủ. Các thí nghiệm về ma sát giữa thép và một số lớp phủ PVD của Konig

và Kammerleier cho thấy rằng khi tăng vận tốc trượt tương đối hệ số ma sát giảm

đối với tất cả các hệ. Nguyên nhân là do nhiệt độ cao sinh ra ở chỗ tiếp xúc khi tăng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vận tốc trượt tương đối làm giảm sức bền của thép ở vùng bề mặt.

- 29 -

Ví dụ: Khi vận tốc trượt nhỏ (khoảng 7m/s) hệ số ma sát của thép với TiAlN là

lớn nhất trong ba hệ phủ TiAlN, TiN và TiCN do cấu trúc bề mặt của TiAlN không

mịn như TiN và TiCN nên thành phần cào xước của lực ma sát chiếm ưu thế.

Nhưng khi tăng vận tốc trượt thì hệ số ma sát của TiAlN với thép trở nên nhỏ nhất.

Có thể thấy rằng lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát do độ cứng cao của lớp

phủ làm giảm các thành phần cào xước và biến dạng dẻo của lực ma sát, hơn nữa

tương tác hoá học giữa hai bề mặt đối tiếp tạo nên một lớp màng tiếp xúc có sức

bền cắt thấp là nguyên nhân làm giảm ma sát gữa hai bề mặt.

2.2.2. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại

Lớp phủ trên bề mặt dụng cụ có tác dụng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt

trước, chủ yếu là giảm dính do độ cứng cao và tính trơ hoá học cao của lớp phủ làm

tăng góc tạo phoi dẫn tới giảm kích thước lẹo dao và loại trừ lẹo dao ở tốc độ cắt

thấp hơn như hình 19.

Hình 19: a. So sánh quá trình tạo phoi khi cắt bằng dao phủ TiN và dao không phủ

b. Đồ thị biểu diễn thể tích của lẹo dao khi cắt thép 1045

Từ hình 19 có thể thấy rằng lớp phủ cứng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt

trước, chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước, chiều dày của phoi dẫn đến tăng

góc tạo phoi và làm cho vùng tiếp xúc trên mặt trước tiến gần lưỡi cắt hơn. Hình

19 cho thấy TiN có khả năng loại trừ lẹo dao tốt nhất so với TiC và oxide. Ở vận tốc

cắt trên 50 m/phút lẹo dao hầu như bị loại trừ.

Nghiên cứu của Konig chỉ ra rằng tính chất nhiệt của lớp phủ có ảnh hưởng rất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

lớn đến quá trình tạo phoi. Nhiệt độ cao trên mặt trước và khả năng dẫn nhiệt kém

- 30 -

của lớp phủ sẽ làm giảm sức bền cắt của thép các bon. Ở trạng thái như thế biến

dạng dẻo xảy ra trước, làm phoi tách ra khỏi phôi dễ hơn dẫn đến tăng góc tạo phoi

và giảm chiều dày của phoi. Ngược lại khi lớp phủ có hệ số dẫn nhiệt cao sẽ làm

cho quá trình tạo phoi khó khăn hơn. Ví dụ: TiCN có hệ số dẫn nhiệt 36W-1.K-1 lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của TiN

(19W-1.K-1) sẽ làm giảm góc tạo phoi và tăng chiều dày của phoi. Nguyên nhân là

do nhiệt thoát nhanh từ mặt trước vào dụng cụ làm giảm nhiệt độ ở mặt dưới của

phoi làm cho quá trình thoát phoi trở lên khó khăn hơn. Trong thí nghiệm của

Konig chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước tăng từ dao phủ TiAlN đến TiN đến

TiCN tương ứng với sự tăng của lực cắt lên 20% của dao phủ TiN và 33% của dao

phủ TiCN so với dao phủ TiAlN. Sau này Konig và Kêmmrmeier cho rằng hệ số

thẩm nhiệt thấp của lớp phủ xác định theo công thức: b2 = c. . (b: hệ số thẩm

nhiệt, c: nhiệt dung riêng, : tỷ trọng, : hệ số dẫn nhiệt) mới là yếu tố làm tăng góc

tạo phoi và giảm chiều dày của phoi.

Có thể thấy rằng tính trơ hoá học và tính chất nhiệt đặc biệt của vật liệu phủ có

ảnh hưởng rất lớn đến tương tác ma sát trên mặt trước và quá trình tạo phoi.

2.2.3. Ảnh hưởng của tạp chất trong thép đến tương tác ma sát trong cắt kim loại

Các tạp chất phi kim loại trong thép có ảnh hưởng rất lớn đến tính gia công với

mức độ khác nhau phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, sự phân bố và tỷ trọng của

chúng. Các nguyên tố như lưu huỳnh, silíc, phốt pho vv… có ảnh hưởng lớn đến

hình dạng, kích thước và đặc tính của các tạp chất làm thay đổi tính gia công.

Phốt pho và lưu huỳnh có tác dụng tăng tính gia công, silíc làm giảm tính gia

công. Các nguyên tố khác như các bon và mangan có tác dụng làm tăng sức bền của

thép và làm giảm tính gia công.

Theo Trent, Optiz và Kankaanpaa, tạp chất trong thép có tác dụng tạo ra lớp

đọng MnS và silicate như một lớp bôi trơn giữa phoi và mặt trước của dụng cụ có

tác dụng giảm mòn. Ngược lại, Liesling và Shaw lại cho rằng tạp chất (như MnS)

không đóng vai trò là chất bôi trơn theo cách nghĩ thông thường bởi vì hàm lượng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

lưu huỳnh càng cao thì hệ số ma sát trung bình trên mặt trước càng lớn. Kiesling

- 31 -

cũng phát hiện các tạp chất MnS nhỏ có tác dụng làm tăng ma sát trên mặt trước của

dụng cụ, bởi vì các tạp chất nhỏ thường có khuynh hướng khó bị biến dạng hơn các

tạp chất lớn và do đó không có khả năng tạo nên những vùng dễ biến dạng dẻo

trong vùng biến dạng thứ hai. Theo ông thì MnS có hai tác dụng đó là giảm biến

dạng trong vùng mặt phẳng trượt (tác dụng khối) và tăng ma sát trên mặt trước (tác

dụng bề mặt). Trong các điều kiện cắt thông thường tác dụng thứ nhất chiếm ưu thế,

tuy nhiên khi vận tốc cắt thấp và lượng chạy dao nhỏ thì tác dụng thứ hai chiếm ưu

thế.

Cho đến nay một số nghiên cứu đã phát hiện được sự tồn tại của lớp đọng tạp

chất trên mặt trước của dao và ảnh hưởng của nó tới tuổi bền. Milovic đã quan sát

được lớp đọng MnS trên mặt trước của dao thép gió phủ TiN dùng cắt thép các bon

dễ gia công với tốc độ cắt 75m/phút. Lớp đọng này làm giảm ma sát giữa phoi và

mặt trước và có tác dụng tăng tuổi bền của dao. Palmai cũng khẳng định được sự

hình thành lớp đọng trên mặt trước với thành phần hoá học gồm MnS và silicate khi

cắt thép C45 bằng dao thép gió M2 phủ TiN với tốc độ cắt 45m/phút có tác dụng

tăng tuổi bền. Kankaanpaa đã tìm thấy lớp đọng chứa các nguyên tố như Mangan,

silic, lưu huỳnh và canxi trên mặt trước của dụng cụ thép gió phủ TiN khi cắt thép

khử ôxy bằng calcium. Sự tồn tại của lớp đọng này làm tăng tuổi bền của dụng cụ.

Tóm lại việc hình thành lớp đọng phi kim loại trên mặt trước của dao hợp kim

cứng, ceramic và phủ làm thay đổi tương tác ma sát trên mặt trước dẫn đến tăng

hoặc giảm tuổi bền của dụng cụ.

2.3. Chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ

2.3.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt

Bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau. Bề mặt kim loại có thể

được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặc

tính khác nhau. Để xác định đặc trưng của bề mặt ta cần biết mô hình và định luật

kim loại nguyên chất không có tương tác với môi trường khác và sự khác nhau về

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong. Sau đó

- 32 -

nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trường để thiết lập khái

niệm mô hình bề mặt thực.

2.3.2. Bản chất của lớp bề mặt

Bề mặt vật rắn hay chính xác là một mặt phân cách rắn - khí hay rắn - lỏng có

cấu trúc và tính chất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, phương pháp tạo

nên bề mặt đó và tương tác giữa bề mặt đó với môi trường xung quanh.

Các tính chất của bề mặt vật rắn rất quan trọng đối với tương tác bề mặt, bởi vì

tính chất bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới diện tích tiếp xúc thực, ma sát, mòn và bôi

trơn. Hơn nữa các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng

khác nhau như: Quang học, nhiệt, điện, sơn và trang trí…Bề mặt vật rắn, bản thân

nó bao gồm vài vùng có tính chất cơ, lý khác nhau với vật liệu khối bên trong đó là

lớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tương tác hoá học, lớp Beibly, lớp biến dạng khốc

liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là lớp vật liệu nền.

Hình 20: Chi tiết bề mặt vật rắn

2.3.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt

- Lớp biến dạng

Dưới tác động của quá trình tạo hình các tính chất của lớp bề mặt kim loại, hợp

kim hay ceramics có thể thay đổi đáng kể so với vật liệu khối bên trong.

Ví dụ: Trong quá trình ma sát giữa hai bề mặt sau khi gia công cơ, các lớp bề

mặt dưới tác động của lực và nhiệt độ sẽ bị biến dạng dẻo, lớp biến dạng này còn

gọi là lớp biến dạng cứng là một bộ phận quan trọng của vùng bề mặt. Ứng suất dư

trong lớp biến dạng dẻo có thể có ảnh hưởng tới sự làm việc ổn định cũng như kích

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thước chi tiết.

- 33 -

Chiều dày của lớp biến dạng dẻo phụ thuộc vào hai yếu tố: Công hoặc năng

lượng của quá trình biến dạng và bản chất của vật liệu. Chiều dày của lớp này

thường từ 1 đến 100 m tuỳ theo mức độ biến dạng cũng như tốc độ biến dạng. Kích

thước hạt trong các lớp biến dạng dẻo này thường rất nhỏ do bị biến dạng với tốc độ

cao kèm theo quá trình kết tinh lại. Hơn nữa các tinh thể và hạt tại bề mặt tiếp xúc

chung tự định hướng lại trong quá trình trượt giữa hai bề mặt.

- Lớp Beibly

Lớp Beibly trên bề mặt kim loại là hợp kim được tạo nên do sự chảy và biến

dạng dẻo bề mặt, do biến dạng và tốc độ biến dạng lớn của các lớp phân tử bề mặt

trong quá trình gia công cơ, sau đó cứng lên nhờ quá trình tôi do nền vật liệu khối

có nhiệt độ thấp. Lớp Beibly có cấu trúc vô định hình hoặc đa tinh thể có chiều dày

từ 1 đến 100 m. Các nguyên công gia công như mài nghiền, đánh bóng có thể giảm

chiều dày của lớp này.

- Lớp tương tác hoá học

Trừ một số các kim loại hiếm như vàng và bạch kim, tất cả các kim loại đều

phản ứng với oxy để tạo nên oxides trong không khí. Trong các môi trường khác

chúng có thể tạo nên các lớp nitrides sulfides hay chlorides.

Lớp ôxy hoá có thể tạo thành trong quá trình gia công cơ hay ma sát. Nhiệt sinh

ra trong quá trình tạo hình hoặc ma sát làm tăng tốc độ ôxy hoá và tạo nên nhiều

loại oxides khác nhau. Khi cặp đôi ma sát hoạt động trong không khí phản ứng có

thể xảy ra giữa các lớp oxides của hai bề mặt. Sự tồn tại của chất bôi trơn và chất

phụ gia có thể tạo nên các lớp oxides bảo vệ bề mặt quan trọng.

Lớp ôxy hoá có thể gồm một hay nhiều lớp thành phần. Sắt có thể tạo thành

oxides sắt với hỗn hợp các oxides Fe2O4, Fe2O3 và lớp FeO trong cùng. Với hợp

kim, lớp oxides bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài oxides, một số oxides có tác

dụng bảo vệ không cho quá trình ôxy hoá tiếp tục xảy ra như trên bề mặt của nhôm

và titan.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Lớp hấp thụ hoá học

- 34 -

Bên ngoài lớp tương tác hoá học, các lớp hấp thụ có thể hình thành trên cả bề

mặt kim loại và á kim. Lớp hấp thụ hoá học được hình thành trên cơ sở sử dụng

chung các electrons, hoặc trao đổi các electrons giữa các lớp hấp thụ và bề mặt vật

rắn. Trong lớp này tồn tại liên kết rất mạnh giữa bề mặt chất rắn và chất hấp thụ

thông qua liên kết cộng hoá trị, vì thế để làm sạch lớp này cần có một năng lượng

tương ứng với năng lượng tạo nên liên kết hoá học (10 - 100Kcal/mol). Năng lượng

này phụ thuộc vào cả tính chất hoá học của bề mặt vật rắn và các tính chất hấp thụ.

- Lớp hấp thụ vật lý

Bên ngoài lớp hấp thụ hoá học là lớp hấp thụ vật lý, chủ yếu là các thành phần

từ hơi nước, ôxy, hydrô các bon trong không khí tồn tại dưới dạng đơn hoặc đa

phân tử với chiều dày khoảng 3nm. Các lớp màng dầu mỡ trên bề mặt cũng thuộc

loại lớp hấp thụ vật lý. Ở đây không tồn tại việc dùng chung hoặc trao đổi electrons

giữa các phân tử vật rắn và chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ vật lý liên quan đến lực

Vander Woals. Các lực này rất yếu so với lực tương tác trong không khí trơ ở trạng

thái lỏng. Để làm sạch các lớp hấp thụ này cần rất ít năng lượng (1 - 2Kcal/mol) hơn nữa trong môi trường chân không cao (khoảng 10-8Pa) lớp này không tồn tại

trên các bề mặt các chất rắn.

2.3.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công cơ

Chất lượng của chi tiết được đánh giá bằng những tiêu chuẩn về hình dạng hình

học thực tế của bề mặt gia công, độ chính xác kích thước và đặc tính cơ lý của lớp

bề mặt. Đặc tính cơ lý của lớp bề mặt ở đây được hiểu là những sai lệch so với tính

chất cơ lý của vật liệu gia công ban đầu. Thực tế chứng tỏ rằng chất lượng bề mặt

chi tiết gia công (chủ yếu là độ nhấp nhô và tính chất cơ lý) quyết định tính chất sử

dụng của chi tiết bởi vì các chi tiết thường bị hư hỏng từ lớp bề mặt và do đó phụ

thuộc vào các nguyên công cuối.

2.3.4.1. Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Độ nhám bề mặt

- 35 -

Trong thực tế sản xuất nhiều khi người ta đánh giá độ nhám theo các mức độ:

Thô (cấp 1 - cấp 4), bán tinh (cấp 5 - cấp 7), tinh (cấp 8 - cấp 11) và siêu tinh (cấp

12 - cấp 14).

- Phương pháp đánh giá nhám bề mặt

Để đánh giá nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau đây:

- Phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich). Phương pháp này đo được

bề mặt có độ nhẵn bóng cao (độ nhám thấp) thường từ cấp 10 đến cấp 14.

- Phương pháp đo độ nhám Ra, Rz, RMax…bằng máy đo profin. Phương pháp

này sử dụng mũi dò để đo profin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn tới cấp 11. Đây là

phương pháp được tác giả sử dụng sau khi phay các thí nghiệm.

- Phương pháp so sánh, có thể so sánh theo hai cách:

+ So sánh bằng mắt

+ So sánh bằng kính hiển vi quang học.

2.3.4.2. Độ sóng bề mặt

Chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết gia công được quan sát trong

khoảng lớn tiêu chuẩn (từ 1 đến 10mm) được gọi là độ sóng bề mặt.

Nguyên nhân xuất hiện độ sóng bề mặt là do rung động của hệ thống công nghệ

(Máy - Đồ gá - Dao - Chi tiết gia công), do quá trình cắt không liên tục, độ đảo của

dụng cụ cắt…Thông thường độ sóng bề mặt xuất hiện khi gia công các chi tiết có

kích thước vừa và lớn bằng các phương pháp tiện, phay và mài.

2.3.4.3. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ

Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công được đánh giá bởi các chỉ tiêu chủ yếu

sau đâu:

- Mức độ cứng nguội.

- Chiều sâu cứng nguội.

- Trị số, chiều sâu và dấu của ứng suất dư ở lớp bề mặt.

* Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt

Trong quá trình gia công cơ dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của lớp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

kim loại bề mặt bị xô lệch và gây biến dạng dẻo ở vùng trước và vùng sau lưỡi cắt.

- 36 -

Phoi được tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng trượt. Trong

vùng cắt, thể tích riêng của kim loại tăng, còn mật độ kim loại giảm làm xuất hiện

ứng suất. Khi đó nhiều tính chất của lớp bề mặt thay đổi như giới hạn độ bền, độ

cứng, độ giòn được nâng cao, ngược lại tính dẻo dai lại giảm…Kết quả là lớp bề

mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao. Mức độ biến cứng và chiều

sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các phương pháp gia công và các thông số hình

học của dao. Cụ thể là phụ thuộc vào lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và

nhiệt độ trong vùng cắt. Lực cắt làm cho mức độ biến dạng dẻo tăng, kết quả là mức

độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt tăng. Nhiệt sinh ra ở vùng cắt sẽ

hạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt. Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt

phụ thuộc vào tỷ lệ tác động giữa hai yếu tố lực cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt.

Khả năng tạo ra mức độ và chiều sâu biến cứng lớp bề mặt của các phương pháp gia

công khác nhau được thể hiện trong bảng sau:

Phƣơng pháp gia công

Mức độ biến cứng (%) 120 - 150 Chiều sâu lớp biến cứng ( m) 30 - 50 Tiện thô

Tiện tinh 140 - 180 20 - 60

Phay bằng dao phay mặt đầu 140 - 160 40 - 100

Phay bằng dao phay trụ 120 - 140 40 - 80

Khoan và khoét 160 - 170 180 - 200

Doa 150 - 160 150 - 200

Chuốt 150 - 200 20 - 75

Phay lăn răng và xọc răng 160 - 200 120 - 200

Cà răng 120 - 180 80 - 100

Mài tròn thép chưa nhiệt luyện 140 - 160 30 - 60

Mài tròn thép ít các bon 160 - 200 30 - 60

Mài tròn ngoài thép sau nhiệt luyện 125 - 130 20 - 40

Mài phẳng 150 16 - 25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng 7: Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công cơ

- 37 -

Hình 21: Sơ đồ tạo thành lớp cứng nguội của bề mặt gia công

Khi gia công lớp bề mặt chịu biến dạng phụ vì những nguyên nhân sau:

- Do lưỡi cắt của dao bao giờ cũng có một bán kính cong nhất định nên khi bắt

đầu cắt, sự tiếp xúc của dao và chi tiết sẽ bắt đầu từ điểm A. Dao càng đi sâu vào

chi tiết thì điểm có ứng suất lớn nhất càng hạ thấp và khi quá trình cắt đã ổn định thì

chiếm vị trí B (nằm ngay trên mặt trượt). Do đó chỉ một lớp kim loại có chiều dày a

nằm trên đường BC là được cắt thành phoi. Lớp kim loại loại nằm dưới đường BC

không bị cắt mà bị nén, do đó chịu biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo nghĩa là bị

cứng nguội.

- Sau khi mũi dao đi qua, lớp bề mặt do sự đàn hồi được nâng cao một chiều cao

h, do đó gây ra áp lực pháp tuyến và ma sát với mặt sau của dao. Do kết quả của ma

sát nên một lớp mỏng bề mặt lại chịu biến dạng thêm. Nếu bán kính cong của dao

càng lớn, diện tích tiếp xúc giữa mặt sau của của dao và chi tiết gia công càng tăng

thì ma sát càng lớn và mức độ biến dạng của lớp bề mặt càng tăng.

Kết quả cứng nguội là các tinh thể kim loại bị nát vụn khiến cho lớp bề mặt trở

nên bền và cứng hơn.

Những vật liệu khó gia công, có độ dẻo cao thì khi gia công chúng hiện tượng

cứng nguội xảy ra với mức độ cao hơn so với thép kết cấu.

Ví dụ: Khi gia công thép chịu nóng 437A, chiều sâu cứng nguội lớn hơn 3 lần

so với khi gia công thép 45.

Bề mặt được gia công xong nếu như không có khuyết tật gì thì hiện tượng cứng

nguội có tác dụng tốt. Trong trường hợp ngược lại thì giới hạn bền mỏi của chi tiết

sẽ giảm đi và tuổi thọ của chi tiết sẽ hạ thấp. Mặt khác hiện tượng cứng nguội còn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

gây khó khăn cho các nguyên công gia công tinh.

- 38 -

Ví dụ: nếu một lỗ sau khi khoan xong cần doa với lượng dư rất bé thì lúc đó

lưỡi cắt của dao doa phải làm việc trong giới hạn của lớp cứng nguội, vì thế dao doa

chóng bị mòn và bề mặt gia công không thể đạt được độ bóng cao. Ngoài ra lớp

cứng nguội thu được khi gia công thô còn làm cho chi tiết bị cong vênh nhiều hơn

khi mang chi tiết đi nhiệt luyện.

Tính chất vật liệu gia công, chế độ cắt, hình dạng hình học của dao và các thông

số cắt khác đều ảnh hưởng đến mức độ và chiều sâu cứng nguội theo một quy luật

như khi ảnh hưởng đến biến dạng dẻo. Khi tăng tốc độ cắt thì mức độ và chiều sâu

cứng nguội giảm. Lượng chạy dao ảnh hưởng đến cứng nguội nhiều hơn là chiều

sâu cắt. Sự mài mòn của dao có ảnh hưởng lớn nhất đến cứng nguội. Dao càng bị

mòn thì bán kính cong của lưỡi dao càng tăng, do đó biến dạng dẻo càng tăng khiến

cho mức độ và chiều sâu cứng nguội càng lớn.

Qua nghiên cứu bằng mô hình nhiệt cắt đồng thời tiến hành thực nghiệm nghiên

cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến chiều sâu lớp biến cứng (lớp trắng) trong

tiện cứng của Kenvin Chou và Hui Song kết quả đều cho thấy chiều sâu của lớp

biến cứng phụ thuộc vào bán kính mũi dao.

Khi dao còn mới (dao chưa bị mòn), chiều sâu lớp biến cứng giảm khi tăng bán

kính mũi dao do chiều dày lớp phoi không được cắt nhỏ. Tuy nhiên khi dao bị mòn

nhiều thì chiều sâu lớp trắng lại tăng theo bán kính mũi dao bởi vì khoảng cách giữa

lưỡi cắt và bề mặt gia công là nhỏ hơn.

* Ứng suất dư trong lớp bề mặt

Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào biến

dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện tượng chuyển pha trong cấu trúc

kim loại, quá trình này diễn ra phức tạp. Ứng suất dư lớp bề mặt được đặc trưng bởi

trị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư. Trị số và dấu phụ thuộc vào biến dạng

đàn hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ và dung

dịch trơn nguội.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

+ Các nguyên nhân chủ yếu gây ra ứng suất dư là:

- 39 -

- Khi gia công trường lực xuất hiện gây biến dạng dẻo không đều trong lớp bề

mặt. Khi trường lực mất đi biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt.

- Biến dạng dẻo làm tăng thể tích riêng của lớp kim loại mỏng ngoài cùng. Lớp

kim loại bên trong vẫn giữ thể tích riêng bình thường do đó không bị biến dạng dẻo.

Lớp kim loại ngoài cùng gây ứng suất dư nén còn lớp kim loại bên trong sinh ra ứng

suất dư kéo để cân bằng.

- Nhiệt sinh ra ở vùng cắt lớn sẽ nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt làm mô

đun đàn hồi của vật liệu giảm. Sau khi cắt, lớp vật liệu này sinh ra ứng suất dư kéo

do bị nguội nhanh và co lại, để cân bằng thì lớp kim loại bên trong phải sinh ra ứng

suất dư nén.

- Trong quá trình cắt thể tích kim loại có sự thay đổi do kim loại bị chuyển pha

và nhiệt sinh ra ở vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu. Lớp kim loại nào hình

thành cấu trúc có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dư nén và ngược lại sẽ sinh

ra ứng suất dư kéo để cân bằng.

+ Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư trong lớp bề mặt của chi tiết sau gia công

cơ như sau:

- Tăng tốc độ cắt V hoặc tăng lượng chạy dao S có thể làm tăng hoặc giảm ứng

suất dư.

- Lượng chạy dao S làm tăng chiều sâu của ứng suất dư.

- Góc trước âm gây ra ứng suất dư nén - ứng suất dư có lợi.

- Khi gia công vật liệu giòn bằng dụng cụ cắt có lưỡi gây ra ứng suất dư nén còn

vật liệu dẻo thường gây ứng suất dư kéo.

Ứng suất nén trong lớp bề mặt làm tăng độ bền mỏi của chi tiết, còn ứng suất dư

kéo lại làm giảm độ bền mỏi.

Ví dụ: Chi tiết được làm từ thép, khi trên bề mặt có ứng suất dư nén thì độ bền

mỏi có thể tăng lên 50%, còn khi có ứng suất dư kéo thì giảm 30%.

* Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

+ Đánh giá mức độ và chiều sâu lớp biến cứng

- 40 -

Để đánh giá mức độ và chiều sâu lớp biến cứng người ta chuẩn bị một mẫu rồi

đưa mẫu này lên kiểm tra ở máy đo độ cứng. Nguyên lý kiểm tra như sau: dùng đầu

kim cương tác động lên bề mặt lực P sau đó xác định diện tích bề mặt mẫu do đầu

kim cương đâm xuống. Độ biến cứng được xác định theo công thức:

Hv = P/S

Trong đó: Hv là độ biến cứng (N/mm2)

P là lực tác dụng của đầu kim cương (N)

S là diện tích bề mặt mẫu do đầu kim cương đâm xuống

Để đo chiều sâu biến cứng người ta dùng đầu kim cương tác động lần lượt

xuống bề mặt mẫu từ ngoài vào trong. Sau mỗi lần tác động lại xác định diện tích bị

lún S cho đến khi diện tích S không thay đổi thì dừng lại và đo được chiều sâu biến

cứng.

+ Đánh giá ứng suất dư. Để đánh giá (xác định) ứng suất dư người ta thường sử

dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp tia Rơnghen: dùng tia kích thích trên bề mặt mẫu một lớp dày 5 -

10 m và sau mỗi lần kích thích ta chụp ảnh đồ thị Rơnghen. Phương pháp này cho

phép đo được cả chiều sâu biến cứng. Tuy nhiên, phương pháp này rất phức tạp và

tốn nhiều thời gian cho việc điều chỉnh đồ thị Rơnghen (mất khoảng 10 giờ cho một

lần đo).

- Phương pháp tính toán lượng biến dạng: Sau khi hớt từng lớp mỏng kim loại

bằng phương pháp hoá học và điện cơ khí ta tính toán khối lượng biến dạng của chi

tiết mẫu. Dựa vào lượng biến dạng này ta xác định được ứng suất dư. Cũng có thể

dùng tia Rơnghen để đo khoảng cách giữa các phần tử trong lớp kim loại biến dạng

và không biến dạng, với khoảng cách này có thể xác định được ứng suất dư.

2.3.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ

2.3.5.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt

Trebưsep đã đưa ra công thức biểu thị mối quan hệ giữa Rz với S, r và hmin

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

như sau:

- 41 -

- Khi S > 0,15 mm/vòng: Rz = S2/8r

- Khi S < 0,1 mm/vòng: Rz = S2/8r + hmin/2 . (1 + r. hmin/S2)

Ở đây hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r.

Hình 22: Ảnh hưởng của các thông số hình học của dao đến độ nhám bề mặt

Tuy nhiên, khi lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì trị số của Rz lại

tăng. Nguyên nhân do S nhỏ hơn bán kính mũi dao nên xảy ra hiện tượng trượt của

mũi dao trên bề mặt gia công. Vì thế khi gia công tinh nếu sử dụng S quá nhỏ sẽ

không có ý nghĩa cải thiện chất lượng bề mặt.

2.3.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt

z R

0

1

20

100

200 V (m/phút)

Tốc độ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhám bề mặt

Hình 23: Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi gia công thép

Khi gia công thép các bon ở tốc độ cắt thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tách dễ, biến dạng của lớp kim loại không đều vì vậy độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng

- 42 -

tốc độ cắt lên khoảng 15 - 20 m/phút thì nhiệt cắt và lực cắt đều tăng gây ra biến

dạng dẻo mạnh, ở mặt trước và mặt sau của dao kim loại bị chảy dẻo. Khi lớp kim

loại bị nén chặt ở mặt trước và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ

hình thành lẹo dao. Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công. Nếu tiếp tục tăng

tốc độ cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại bị phá huỷ, lực dính của

lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi (lẹo dao

biến mất ứng với tốc độ cắt trong khoảng 30 - 60 m/phút). Với tốc độ cắt lớn (lớn

hơn 60 m/phút) thì lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề mặt gia công

giảm.

2.3.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao

Lượng chạy dao ngoài ảnh hưởng mang tích chất hình học còn ảnh hưởng lớn

đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công làm cho độ nhám

thay đổi. Hình 24 biểu diễn mối quan hệ giữa lượng chạy dao S với nhám Rz khi gia

z R

0

0,02

0,15

S (mm/phút)

công thép các bon.

Hình 24: Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt

Khi gia công với lượng chạy dao 0,02 - 0,15 mm/vòng thì bề mặt gia công có độ

nhám giảm. Nếu S < 0,02 mm/vòng thì độ nhám tăng lên (độ nhẵn bóng bề mặt

giảm xuống) vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của các yếu tố

hình học. Nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh

hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi đồng thời kết hợp với ảnh hưởng của

các yếu tố hình học làm tăng độ nhám bề mặt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.3.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

- 43 -

Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt là không đáng kể. Tuy nhiên

nếu chiều sâu cắt qúa lớn dẫn đến rung động trong quá trình cắt tăng lên, do đó độ

nhám bề mặt tăng. Ngược lại, chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm cho dao bị trượt trên bề

mặt gia công và xảy ra hiện tượng cắt không liên tục do đó lại làm tăng độ nhám bề

mặt. Hiện tượng gây trượt dao thường ứng với giá trị của chiều sâu cắt trong

khoảng 0,02 - 0,03 mm.

2.3.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Vật liệu gia công ảnh hưởng đến tính gia công chủ yếu là do khả năng biến dạng

dẻo. Vật liệu dẻo và dai (thép ít các bon…) dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho nhám bề

mặt tăng hơn so với vật liệu cứng và giòn.

2.3.5.6. Ảnh hưởng của rung động hệ thống công nghệ

Quá trình rung động hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối có chu

kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công dẫn đến làm thay đổi điều kiện ma sát, gây

nên độ sóng và nhám trên chi tiết gia công.

2.4. Mòn và tuổi bền của dụng cụ

2.4.1. Bản chất vật lý của quá trình cắt

2.4.1.1. Cơ chế tạo phoi

Quá trình cắt kim loại thực chất là sử dụng dụng cụ hình chêm để hớt đi một lớp

kim loại từ phôi. Tác dụng lực cắt sinh ra từ dụng cụ sẽ tạo ra bề mặt gia công và

phoi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 25: Mô hình vùng tác động trong quá trình tạo phoi

- 44 -

Quá trình tạo phoi được phân tích bao gồm:

- Vùng 1: Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu nằm trước mũi dao được

giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vật liệu phôi. Dưới tác dụng của lực tác động

trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo (còn gọi là vùng biến dạng thứ nhất). Khi

ứng suất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện

hiện tượng trượt và phoi được hình thành. Trong qúa trình cắt, vùng tạo phoi 1 luôn

di chuyển cùng với dao.

- Vùng 2: Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của

dao.

- Vùng 3: Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt sau của

dao.

- Vùng 4: Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi để hình

thành phoi.

Muốn tạo ra phoi phải tác động lên phôi thông qua dụng cụ cắt một lực chủ

động nhằm:

- Tạo ra trong kim loại ở vùng biến dạng dẻo thứ nhất ứng suất vượt quá giới

hạn bền của vật liệu gia công.

- Thắng được lực cản ma sát xuất hiện do sự biến dạng của bản thân vật liệu

cũng như giữa vật liệu với các mặt phẳng của dao.

2.4.1.2. Ma sát trong quá trình cắt kim loại

Lực ma sát xuất hiện trong mặt phẳng trượt do sự trượt của lớp vật liệu tách ra

để tạo thành phoi. Lực ma sát xuất hiện do sự chuyển động tương đối giữa lớp vật

liệu mặt sau của phoi với mặt trước của dao cũng như do ma sát tiếp xúc giữa vật

liệu phôi với mặt sau của dao trong mặt phẳng cắt.

Đặc tính tiếp xúc của cặp ma sát dao với phoi và dao với phôi là cặp ma sát của

hai bề mặt luôn luôn mới. Ta biết rằng trong gia công cắt gọt thì phoi và bề mặt gia

công liên tục được tạo ra và chúng trượt trên mặt trước và mặt sau của dao. Do vậy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dạng tiếp xúc trong vùng tạo phoi luôn ổn định.

- 45 -

Hình 26: Vùng tiếp xúc ma sát giữa dao và chi tiết gia công

2.4.1.3. Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ

Khi cắt phoi tác dụng lên mặt trước sinh ra lực pháp tuyến N, phoi chuyển động

trên mặt trước sinh ra lực ma sát:

F1 = 1.N1

Trong đó: 1 là hệ số ma sát trung bình trên mặt sau.

Hướng của lực ma sát F1 trung với quỹ đạo chuyển động. Lực tác dụng lên mặt

sau gọi là lực bị động R2.

Hình 27: Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ

Tổng hình học của lực N, F, N1, F1 là lực tác dụng lên dụng cụ cắt, lực cắt P.

= + + +

Lực ma sát F trên mặt trước có thể thành lực pháp tuyến với lưỡi cắt FN và lực

có hướng dọc theo lưỡi cắt FT do đó:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

= + + + +

- 46 -

Trị số lực P và vị trí của nó trong không gian được xác định bằng trị số và tỷ lệ

các lực pháp tuyến và lực ma sát mà những lực này phụ thuộc vào các thông số hình

học của dụng cụ cắt cũng như chế độ cắt. Theo các phương x, y, z ta có:

P =

Trong đó:

Pz = Nyz . cos + Ft . sin + F1

Nyz = FN . sin + N . cos

FN = F . cos

Ft = F . sin

2.4.2. Mòn dụng cụ

2.4.2.1. Khái niệm chung về mòn

Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt

trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Eyre và Davis định

nghĩa mòn liên quan đến về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá

giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Nói chung mòn xảy ra

do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình chuyển động tương đối,

đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các

nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút

vật liệu nào tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp

hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt

này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung dựa trên

sự mất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm

theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật liệu cũng là một dạng mòn.

Giống như ma sát, mòn không phải là do tính chất của vật liệu mà là sự phản

ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mòn ở bề

mặt tiếp xúc chung. Sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

là nguyên nhân mòn với tốc độ cao.

- 47 -

Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần

đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn

toàn. Theo Shanshal và Dygdale mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm

việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng

trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế

của quá trình gia công. Konig cho rằng sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu

dụng cụ mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt như phủ

bay hơi chính là nhằm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ.

2.4.2.2. Các cơ chế mòn của hai bề mặt trượt tương đối

Theo Eyer và Davis ma sát và mòn không phải là tính chất thuộc tính của vật

liệu mà phụ thuộc vào hệ kỹ thuật trong đó chúng được sử dụng. Ma sát và mòn

không hoàn toàn phụ thuộc vào nhau vì ma sát sinh ra do tương tác giữa các nhấp

nhô bề mặt có liên quan đến các quá trình cơ, hoá và lý còn mòn lại xảy ra do sự nứt

tách trong lòng vật liệu cách bề mặt ma sát một khoảng nào đó. Theo Biswas sự

hình thành các hạt mài và hợp chất trong một hệ ma sát, mòn và bôi trơn bắt đầu từ

hai quá trình, tương tác về ứng suất và tương tác về vật liệu. Tương tác về ứng suất

là tác động tổng hợp của tải trọng và lực ma sát tạo nên các cơ chế mòn như mỏi và

mòn bằng hạt mài. Tương tác về vật liệu là tương tác giữa các nguyên tử, phân tử

giữa các vật thể hoặc tương tác giữa chúng với môi trường tạo nên các cơ chế mòn

liên quan đến tác dụng hoá, lý và dính. Các cơ chế mòn chính thường gặp trong kỹ

thuật là mòn do dính, mòn do mỏi, mòn do hạt mài và mòn do tác dụng hoá lý.

Theo Shaw mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hoá và mỏi.

Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt, tuy nhiên tuỳ theo điều

kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngoài ra dụng cụ còn bị phá

huỷ do mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo.

Theo Loffer, trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh

hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn phá huỷ. Ở dải vận tốc cắt thấp

và trung bình, cơ chế mòn do dính và do hạt mài chiếm ưu thế cho cắt liên tục và

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hoá lý trở lên chiếm ưu thế đối

- 48 -

với cắt liên tục và tạo nên vùng mòn mặt trước. Sự hình thành các vết nứt do ứng

suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến vỡ lưỡi cắt khi cắt

không liên tục.

* Mòn do dính

Khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, đỉnh các nhấp nhô sẽ bị biến dạng dẻo dưới

tác dụng của ứng suất pháp. Khi hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau lớp

màng mỏng ôxy hoá và hấp thụ bị phá vỡ và vật liệu ở đỉnh các nhấp nhô tiếp xúc

trực tiếp gây dính.

Có giả thiết, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối,

một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác tác dụng của ứng suất nén và tiếp là

sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trượt này tạo thành các mảnh mòn

dạng lá mỏng. Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi

mảnh mòn sinh ra có dạng như hình nêm và dính sang bề mặt đối tiếp.

Đối với dụng cụ cắt mòn do dính phát triển đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ

cao. Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng

thời gian cắt ngắn, hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi. Khả năng chống mòn

dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của các lớp bề mặt dụng cụ và cường độ dính

của nó đối với bề mặt gia công. Cường độ này được đặc trưng bởi hệ số cường độ

dính Ka là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ

xác định. Với đa số các cặp vật liệu thì Ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 9000C đến 13000C. Bản chất phá huỷ vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả

dẻo và giòn. Độ cứng của dụng cụ đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do

dính. Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến

4,3 thì mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần.

Dao thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt trước ở nhiệt độ khoảng 9000C. Khi mặt trước của phoi dính chặt vào mặt

trước thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trượt của các lớp phoi bị biến cứng

cũng đủ để gây ra sự trượt trong các lớp vật liệu dụng cụ trong vùng mòn gây ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mòn dính.

- 49 -

Loladze và Rabinowicz cho rằng khi hai bề mặt làm từ vật liệu khác nhau trượt

tương đối với nhau các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn cũng bị tách ra khỏi vùng

bề mặt. Nguyên nhân do sự dính ngẫu nhiên của vùng bề mặt có sức bền bị giảm

cục bộ với vùng bề mặt có sức bền cao cục bộ của vật liệu mềm. Archard đã đưa ra

mô hình tính toán mòn dính theo công thức sau:

Q = k.

Trong đó: Q là lượng mòn trên một đơn vị chiều dài quãng đường trượt [khối

lượng/chiều dài].

k là xác suất của một tiếp xúc tạo ra một hạt mòn.

là giới hạn bền của vật liệu mềm hơn.

Halling đã chỉ ra công thức tính mòn dính khi kể đến ảnh hưởng lớp màng mỏng

tạp chất của Rowe:

. Q = km(1+ .f2)1/2.

Trong đó: km là hằng số do đôi kim loại trượt và không phụ thuộc vào tính chất

của các lớp màng hoặc chất bôi trơn.

là hệ số kể đến mức độ khuyết tật của lớp màng, = .

Am là diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại và kim loại.

* Mòn do mỏi

Theo Bayer mòn do mỏi xảy ra vùng gần bề mặt do vật liệu chịu ứng suất biến

đổi theo chu kỳ. Các vết nứt về mỏi xuất hiện, phát triển từ bề mặt và tự cắt nhau

tạo nên các hạt mòn. Hiện tượng này xảy ra chủ yếu khi hai bề mặt lăn và va chạm

đối với nhau. Halling cho rằng khí các đỉnh nhấp nhô không bị dính hoặc mòn do

hạt mài thì sẽ bị biến dạng dẻo. Sau một số lần tiếp xúc đủ lớn nhấp nhô có thể bị

phá huỷ do mỏi tạo nên hạt mòn. Lý thuyết mòn do dính không giải thích được tại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

sao các hạt mòn rời lại được tạo ra, đặc biệt là hạt mòn từ bề mặt cứng hơn. Nhưng

- 50 -

lại có thể giải thích bằng quá trình mòn do mỏi. Vì thế Armarego cho rằng hai cơ

chế mòn do mỏi và dính đều là bộ phận của một quá trình mòn.

Theo Halling cho đến nay chưa có một lý thuyết thoả đáng nào về mỏi được đưa

ra. Đối với phần lớn các vật liệu, biến dạng dẻo sinh ra trong mỗi chu kỳ có liện hệ

đến số chu kỳ phá huỷ N theo phương trình của Kragelski: ( )2 = N.

fail là biến dạng dẻo giới hạn để phá huỷ khi kéo.

Trong đó: p là độ lớn biến dạng dẻo trong một chu kỳ.

Halling cũng đề cập đến phương trình mỏi của Wohler như sau:

N = ( )t

Trong đó: N là số chu kỳ phá huỷ tại ứng suất S.

So là ứng suất phá huỷ trong một chu kỳ ứng suất đơn.

t là hằng số biến thiên từ 2 đến 20.

Các quan hệ giữa mòn và mỏi, tải trọng và sức bền vật liệu có khuynh hướng

phi tuyến, vì thế không thể sử dụng hệ số mòn k như trong mòn do dính và hạt mài.

* Mòn do hạt mài

Trong nhiều trường hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp

xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá biến cứng và tích tụ lại là nguyên

nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật, trong một số trường hợp hạt cứng sinh ra và đưa

vào hệ thống trượt từ môi trường. Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng

dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ra theo vài chế độ.

Cày là hiện tượng tạo rãnh do hạt mài cứng trượt và gây ra biến dạng dẻo của

vật liệu mềm hơn. Khi các nhấp nhô của bề mặt cứng và ráp hoặc các hạt cứng trượt

trên bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằng biến dạng dẻo hoặc

nứt tách, trong trường hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có độ dai va đập cao, đỉnh các

nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn

trong cả trường hợp tải nhẹ nhất, trong trường hợp vật liệu giòn có độ dai va đập

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thấp mòn xảy ra do nứt tách.

- 51 -

Mòn dụng cụ cắt do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia

công như oxides và nitrides hoặc những hạt các bít của vật liệu gia công trong vùng

tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công tạo nên các vết cào xước trên bề

mặt dụng cụ.

Môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn đến cường độ của mòn do hạt mài.

Ví dụ: Khi gia công cắt gọt trong môi trường có tính hoá học mạnh, lớp bề mặt

bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn.

Armerego cho rằng khả năng chống mòn do hạt mài tỷ lệ thuận với các tính chất

đàn hồi và độ cứng của hai bề mặt ở chỗ tiếp xúc.

Hình 28: Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt của vật

liệu, vết mòn và mặt cắt ngang của nó.

Theo Gahr khả năng chống mòn do hạt mài tăng mạnh hơn khi tăng độ cứng đối

với kim loại nguyên chất so với thép được nhiệt luyện hoặc ceramics. Tuy nhiên

khả năng chống mòn do hạt mài không tăng, thậm chí còn giảm khi tăng độ cứng

của một số kim loại có khả năng biến cứng nguội lớn. Vì vậy độ cứng sau chế tạo

không đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mài và bề mặt mòn.

* Mòn do khuếch tán

Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi

dây là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa vật liệu dụng cụ và vật

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

liệu gia công. Colwell đã đưa ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng có sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ 9300C khi cắt bằng dao hợp kim cứng. Điều này

- 52 -

liên quan đến một cơ chế mòn khác đó là hiện tượng mòn do khuếch tán, ôxy hoá

hoặc sự phân rã hoá học của vật liệu dụng cụ ở các lớp bề mặt. Theo Brierley và

Siekman hiện nay mòn do khuếch tán đã được chấp nhận rộng rãi như một dạng

mòn quan trọng ở chế độ cắt cao, họ chỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong

cấu trúc tế vi của các lớp dưới của phoi thép cắt bằng dao hợp kim cứng chứa nhiều

các bon hơn so với phôi. Điều đó chứng tỏ rằng các bon từ các bít volfram đã hợp

kim hoá hoặc khuếch tán vào phoi làm tăng thành phần các bon của các lớp này.

Min và Youzhen đã phát hiện hiện tượng khuếch tán khi phay hợp kim titan

bằng dao phay gắn mảnh hợp kim cứng ở vận tốc cắt 200m/phút. Họ đã quan sát

một lớp giàu các bon dọc theo mặt tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ và vật liệu gia

công, dưới bề mặt dụng cụ xuất hiện một lớp thiếu các bon.

* Mòn do ôxy hoá

Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ, các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng. Mòn

xảy ra với tốc độ thấp và các hạt mòn ôxits nhỏ được hình thành. Bản chất của cơ

chế mòn này là sự bong ra của các lớp ôxy hoá khi đỉnh các nhấp nhô trượt lên

nhau. Sau khi lớp ôxy hoá bị bong ra thì lớp khác lại được hình thành theo một quá

trình kế tiếp nhau liên tục. Tuy nhiên theo Halling lớp màng ôxits và các sản phẩm

của tương tác hoá học với môi trường trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa

hiện tượng dính của đỉnh các nhấp nhô. Khi đôi ma sát trượt làm việc trong môi

trường chân không thì mòn do dính xảy ra mạnh do lớp màng ôxits không thể hình

thành được.

2.4.2.3. Vai trò của lớp phủ cứng trong giảm mòn

Lớp phủ cứng có tác dụng chống mòn do hạt mài, lớp phủ PVD-TiN giúp cho

dụng cụ phủ chống lại mòn do hạt mài, dính, mỏi và ôxy hoá.

TiCN có khả năng chống mỏi tốt nhất, TiAlN có khả năng chống mòn tốt hơn

TiN một chút nhưng cả hai đều có khả năng chống mòn khoảng 1/3 của TiCN.

TiN là một hợp chất có tính trơ hoá học cao, ở nhiệt độ trên 5500C TiN bắt đầu

bị ôxy hoá theo phương trình:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2TiN + 2O2 2TiO2 + N2

- 53 -

Khi đó TiN bị rỗ và đổi mầu. Nhiệt độ cao truyền qua lớp phủ tới nền và ôxy

hoá bề mặt tiếp xúc chung làm yếu liên kết giữa lớp phủ và nền.

Theo nghiên cứu của tập thể tác giả T.L.Banh, Q.T.Phan và D.B.Nguyen, [6].

Nghiên cứu cơ chế mòn của dao phay ngón phủ PVD-TiN.

Hình 29: Hình ảnh SEM mòn ở góc và mặt sau trên lưỡi cắt chính dao phay ngón

thép gió không phủ (chế độ cắt v = 18,85m/phút, S = 100mm/phút, d = 4mm).

Hình 30: Hình ảnh SEM mòn ở góc và mặt sau trên lưỡi cắt chính dao phay ngón

thép gió phủ TiCN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm).

Hình 31: Hình ảnh SEM mòn mặt sau trên lưỡi cắt chính dao phay ngón thép gió

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phủ TiCN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm).

(a)

(b)

Hình 32: Hình ảnh SEM mòn ở góc trên mặt trước dao phay ngón thép gió phủ TiN

- 54 -

(chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm sau 5 phút) hình (a)

(a)

(b)

(chế độ cắt v = 50,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm sau 7 phút) hình (b)

Hình 33: Hình ảnh SEM phá hỏng góc và lưỡi cắt dao phay ngón thép gió phủ TiN

(chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 630mm/phút, d = 4mm) hình (a)

Ảnh SEM hiển thị rõ ràng biến dạng vùng mũi dao phay ngón thép gió phủ TiN khi

nhiệt độ cao (chế độ cắt v = 50,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm) hình (b)

Trên đây là một số hình ảnh khi phay thép 1045 bằng dao phay ngón thép gió

phủ PVD-TiN, [6]. So sánh với dao không phủ ở tốc độ cắt cao kết quả cho thấy

chất lượng bề mặt sau gia công tốt hơn và tuổi bền dao đạt cao hơn. Mòn mặt sau là

loại mòn chính làm giảm tuổi bền của dụng cụ. Trong nghiên cứu này, các lớp phủ

làm giảm lượng mòn và thay đổi cơ chế mòn. Điều quan trọng là khi cắt với tốc độ

cắt và lượng chạy dao cao là mòn các góc hoặc mòn lưỡi cắt chính.

2.4.2.4. Mòn dụng cụ và cách xác định

* Mòn dụng cụ

Trong quá trình cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc

với mặt sau của dao gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt của dụng cụ. Mòn là dạng

hỏng cơ bản của dụng cụ cắt. Mòn mặt trước và mòn mặt sau là hai dạng mòn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thường gặp nhất trong cắt kim loại. Mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp, xảy ra

- 55 -

theo hiện tượng lý, hoá ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công.

Trong quá trình cắt, áp lực trên các bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với áp lực

làm việc của chi tiết máy (khoảng 15 đến 20 lần) và dụng cụ bị mòn theo nhiều

dạng khác nhau.

Phần cắt của dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mòn theo các dạng sau:

- Mòn theo mặt sau, hình 34 (a).

- Mòn theo mặt trước, hình 34 (b).

- Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau, hình 34 (c).

- Mòn tù lưỡi cắt, hình 34 (d).

Hình 34: Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ

Mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng mòn thường gặp nhất trong cắt kim loại.

Hình 35: Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với thể tích

Loladez cho rằng cơ chế hình thành vùng mòn mặt trước của dao hợp kim cứng

khác với dao thép gió. Bởi theo ông do hợp kim cứng có độ cứng nóng cao đến

hàng nghìn độ C nên hiện tượng khuếch tán ở trạng thái rắn gây mòn với tốc độ cao

xảy ra trên mặt trước từ vùng có nhiệt độ cao nhất. Như vậy mòn mặt trước có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

nguồn gốc do nhiệt.

- 56 -

* Mòn dụng cụ phủ bay hơi

Hendenqvist và Bromark kết luận rằng TiN nâng cao khả năng sử dụng dụng cụ

bởi sự kết hợp độc đáo của lớp phủ với nền, độ cứng nóng của lớp phủ cao, khả

năng chống mòn cao và khă năng cải thiện điều kiện tiếp xúc ở vùng lưỡi cắt. Theo

họ thì TiN có những ưu điểm nổi bật như giảm ma sát, giảm dính và khuếch tán

giữa vật liệu gia công và các bề mặt dụng cụ. Theo Hendenqvist thì có hai cơ chế

mòn chính xảy ra trên dụng cụ phủ TiN khi cắt thép đó là nứt, vỡ và bong ra của các

mảnh TiN và mòn vật liệu nền. Hơn nữa ông cũng đã quan sát được mòn liên tục

của lớp phủ trên mặt sau của dao thép gió phủ CVD-TiN.

Nghiên cứu về mòn dao phay ngón phủ PVD khi gia công thép không gỉ của

W.Y.H.Liew, W.L.Teh và X.Ding, [7]. Kết quả cho thấy khi tăng độ cứng của vật

liệu từ 40HRC đến 55HRC kết quả mũi dao bị cùn, hình thành các vết nứt trên dụng

cụ và điều quan trọng là tăng mòn mặt sau và mòn do hạt mài. Kéo dài quá trình cắt

vật liệu có độ cứng 55HRC cũng dẫn đến gãy và nứt tại trung tâm dao phay.

Nghiên cứu mòn dụng cụ phủ và không phủ khi phay thép với sự thay đổi tốc độ

cắt và lượng chạy dao. Cho thấy mòn do ma sát xuất hiện khi cắt ở tốc độ cắt thấp

làm cho mũi dao không ổn định hình thành cùn dụng cụ ở bề mặt phân chia. Gia

công với lượng chạy dao cao là nguyên nhân gây ra ứng lực trên dụng cụ, kết quả

mũi dụng cụ bị mòn.

Hình 36: Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu đến mòn mặt sau khi phay ở tốc độ cắt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

25m/phút và 50m/phút trong 12 phút. [7].

(a)

(b)

(c)

- 57 -

Hình 37: Hình ảnh các vết nứt xuất hiện trên mặt trước và mặt sau của dụng cụ (a)

So sánh dụng cụ khi phay thép có độ cứng 40HRC và 55HRC (b)

Hình ảnh mặt trước và trung tâm dao phay khi phay thép 40HRC cho thấy

không có dấu hiệu của mòn và gẫy (c). [7].

Fenske và đồng nghiệp sử dụng dao tiện T15 cắt thép 1045 với vận tốc cắt

100m/phút đã phát hiện cơ chế mòn chủ yếu là sự gãy, vỡ của lớp phủ khi nền thép

gió bị giảm độ cứng do nhiệt độ cao. Mòn liên tục của lớp phủ ở gần vùng mòn mặt

trước hầu như không đáng kể, điều đó nói nên rằng khả năng chống mòn do hạt mài

và mòn hoá học của TiN là rất cao. Theo họ thì sự gãy vỡ của lớp phủ trên mặt

trước là do nhiệt độ cao phát triển và làm giảm độ cứng của nền. Quá trình gãy vỡ

xảy ra theo 3 giai đoạn như trên hình 38.

Hình 38: Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ thép gió phủ TiN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Giai đoạn 1: Ma sát giữa phoi và lớp phủ sinh nhiệt truyền vào dụng cụ.

- 58 -

Giai đoạn 2: Dưới tác dụng của ứng suất pháp và tiếp cùng nhiệt độ cao dưới

lớp phủ, nền bị biến dạng dẻo làm cho lớp phủ bị nứt, vỡ bộ phận sau đó bị cuốn đi

cùng với dòng phoi làm cho nền bị lộ ra. Ma sát và nhiệt độ của vùng này tiếp tục

tăng lên.

Giai đoạn 3: Vùng mòn mặt trước xuất hiện. Nền của lớp phủ gần vùng mòn

tiếp tục bị giảm độ cứng làm cho lớp phủ tiếp tục bị nứt, vỡ và cuốn đi theo phoi.

Vùng mòn mặt trước phát triển rộng dần.

* Cách xác định mòn

Hình 39: Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau

Mòn mặt trước và mặt sau của dụng cụ có thể tính toán gần đúng như sau:

ave.b.tg /2

Vw = V.B2

Trong đó: V. Bave là chiều cao trung bình của vùng mòn.

Thể tích mòn mặt trước:

Vct = 2b(KB – KF)KT/3

Các kích thước dùng để xác định mòn chỉ ra trên hình 39 có thể đo bằng kính

hiển vi dụng cụ hoặc thiết bị quang học khác hoặc bằng phương pháp chụp ảnh.

Ngoài ra người ta còn đo khối lượng dụng cụ và sử dụng phương pháp đo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

radiotracer (phương pháp đồng vị phóng xạ) để xác định.

- 59 -

Hình 40: Hình ảnh mòn mặt trước và mặt sau khi chụp trên kính hiển vi điện tử

2.4.3. Tuổi bền của dụng cụ

2.4.3.1. Khái niệm

Tuổi bền của dụng cụ là thời gian làm việc liên tục của dụng cụ giữa hai lần mài

sắc, hay nói cách khác tuổi bền của dụng cụ là thời gian làm việc liên tục của dụng

cụ cho đến khi bị mòn đến độ mòn giới hạn [hs]. Tuổi bền của dụng cụ cắt có ảnh

hưởng lớn đến tính kinh tế trong gia công cắt. Tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc

chính vào yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công. Vì thế các phương pháp dự đoán

tuổi bền cơ bản có ý nghĩa cho mục đích so sánh.

Phương trình cơ bản của tuổi bền là phương trình Taylor:

V.Tn = Ct

Trong đó: T là thời gian (phút).

V là vận tốc cắt (m/phút).

Ct là hằng số thực nghiệm.

Phương trình Taylor mở rộng bao gồm cả ảnh hưởng của lượng chạy dao và

chiều sâu cắt được viết như sau: V.Tn.sa.tb = Kt

Với dụng cụ thép gió các số mũ n = 0,17; a = 0,77 và b = 0,37. T đo bằng phút,

V đo bằng ft/min, s và t đo bằng inhes.

Trong trường hợp vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt được sử dụng

như là các thông số độc lập thì mô hình toán học bậc nhất có dạng:

LnT = bo + b1lnV + b2lnS + b3lnt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Mô hình bậc hai có dạng:

- 60 -

LnT = bo + b1lnV + b2lnS + b3lnt + b11(lnV)2 + b22(lnS)2 + b33(lnt)2 +

+ b12(lnV).(lnS) + b13(lnV).(lnt) + b14(lnS).(lnt)

Trong thực tế tuổi bền của dụng cụ thường bị phân tán vì các lý do sau đây:

- Sự thay đổi độ cứng, cấu trúc tế vi, thành phần hoá học và các đặc tính bề

mặt của phôi.

- Sự thay đổi của vật liệu dụng cụ, thông số hình học và phương pháp mài.

- Sự dao động của hệ thống máy, dao, công nghệ.

2.4.3.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền

* Chế độ cắt

Hình 41: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt sau của dao thép

gió S12-1-4-5 dùng tiện thép (AISI C1045) t = 2mm. Thông số hình học của dụng

cụ cắt: = 80, = 100, = 900, = 600, r = 1mm, thời gian cắt T = 30 phút.

Chế độ cắt đặc biệt là vận tốc cắt và lượng chạy dao là tác nhân ảnh hưởng tới tuổi

bền mạnh nhất. Hình 41 là một trong những kết quả thí nghiệm của Opitz và Konig

được Trent đưa ra.

* Vai trò của lớp phủ cứng trong việc tăng tuổi bền của dụng cụ

Sự hình thành lớp phủ trên bề mặt chi tiết nhằm nâng cao một số tính chất khác

của vật liệu đặc biệt là độ cứng, nhân tố quan trọng đối với các đặc tính có lợi khác

như khả năng chống mòn.

Có thể thấy rằng lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát trên mặt trước, giảm

nhiệt độ cực đại và sự phát triển của trường nhiệt độ trong dụng cụ dẫn đến giảm

mòn do nhiệt và tăng tuổi bền cho dụng cụ. Hơn nữa lớp phủ cứng tạo nên một lớp

phân cách giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công với khả năng chống dính,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

chống cào xước cơ học cao do tính trơ hoá học và độ cứng cao của nó là nguyên

- 61 -

nhân giảm mòn và tăng tuổi bền. Ngoài ra tính chất nhiệt đặc biệt của lớp phủ còn

làm thay đổi tỷ lệ truyền nhiệt vào phoi và dao là nhân tố quan trọng làm tăng tuổi

bền của dụng cụ phủ khi cắt với chế độ cắt cao.

Tuy nhiên vai trò nâng cao tuổi bền của dụng cụ phủ khác nhau thay đổi theo

điều kiện gia công cụ thể. Vai trò nâng cao tuổi bền của dụng cụ khi sử dụng vật

liệu phủ khác nhau thay đổi theo điều kiện gia công, hình 42 chỉ ra mối quan hệ tuổi

bền của dao tiện và dao phay mặt đầu thép gió phủ TiN, TiCN, TiAlN dùng để cắt

thép các bon SAE4340 theo vận tốc cắt cho cả cắt liên tục hình 42 (a), và không liên

tục hình 42 (b).

Hình 42: Quan hệ tuổi bền của dao thép gió phủ PVD theo vận tốc cắt:

(a) dao tiện; (b) dao phay mặt đầu dùng cắt thép các bon tôi cải thiện

Từ hai đồ thị trên cho thấy trong cắt liên tục (tiện) TiAlN có tác dụng nâng cao

tuổi bền của dao thép gió tốt nhất sau đó đến TiN và cuối cùng là TiCN. Trái lại

trong cắt và đập (phay) TiCN lại có tác dụng nâng cao tuổi bền tốt nhất sau đó đến

TiN và TiAlN. Như vậy mỗi loại vật liệu đều có khả năng nâng cao tuổi bền của

dụng cụ khác nhau tuỳ theo điều kiện cắt trong đó dụng cụ được sử dụng.

* Ảnh hưởng của các yếu tố đến tuổi bền của dao phay

Tuổi bền của dao phay phụ thuộc vào 3 thông số vật lý: tốc độ cắt V, chiều dày

cắt a, chiều rộng cắt b. Sự phụ thuộc được biểu thị bằng công thức:

T =

Trong đó: CT là hệ số không đổi phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liêu gia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

công, vật liệu dụng cụ cắt và các điều kiện khác.

- 62 -

m1, x1, y1 các số mũ của V, a, b.

Trong quá tình cắt, mức độ ảnh hưởng của các thông số vật lý tới tuổi bền của

dao được xác định bằng các số mũ theo công thức trên. Số mũ của thông số nào

càng cao thì ảnh hưởng của nó càng lớn, theo nhiều kết quả thì số mũ m = 5. Nếu

lấy sô mũ x = 1, y = 0,3 [3] khi tiện và phay thép 45 bằng dụng cụ hợp kim cứng

T15K6 thì công thức trên có dạng:

T =

Nếu tăng tốc độ cắt, chiều dày cắt và chiều rộng cắt thì tuổi bền của dụng cụ

giảm, các thông số này lại ảnh hưởng khác nhau tới tuổi bền của dụng cụ, trong đó

tốc độ cắt ảnh hưởng tới tuổi bền nhiều nhất.

Tuổi bền của dao tỷ lệ nghịch với chiều dày cắt, nếu tăng lượng chạy dao khi

tiện hoặc tăng lượng chạy dao khi phay lên hai lần (do đó tăng chiều dày cắt lên hai

lần) thì tuổi bền giảm xuống 2 lần.

Chiều rộng ảnh hưởng tới tuổi bền ít hơn, điều đó có nghĩa là chiều sâu cắt khi

tiện và phay bằng dao phay mặt đầu, hoặc chiều rộng cắt phay bằng dao phay trụ

không ảnh hưởng nhiều tới tuổi bền của dao, công thức trên chỉ đúng cho một số giá

trị nhất định của T, nếu tăng T thì m giảm trong cùng điều kiện như nhau (tốc độ

cắt, chiều dày cắt, chiều rộng cắt…) tuổi bền của răng dao phay nhỏ hơn tuổi bền

của dao tiện từ 7 đến 10 lần, điều đó có thể giải thích bằng sự cắt gián đoạn và tiết

diện cắt thay đổi khi phay.

2.4.3.3. Cách xác đinh tuổi bền của dụng cụ cắt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 43: Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mòn của dao

- 63 -

Nghiên cứu ảnh hưởng các nguyên tố của quá trình cắt đến tuổi bền bằng

phương pháp thực nghiệm đo mòn cho phép mặt sau hình 43, với các kết quả thực

nghiệm, các đồ thị quan hệ giữa độ mòn, tuổi bền và các nhân tố ảnh hưởng được

xác lập. Trên cơ sở đó, xác định được quan hệ giữa tuổi bền và các nhân tố ảnh

hưởng.

Quan hệ giữa tốc độ, độ mòn và thời gian được thể hiện trên hình 43, với độ

mòn cho phép [h] đã xác định được thời gian làm việc của dụng cụ với các tốc độ

khác nhau (T1 với V1, T2 với V2, T3 với V3,… với V1< V2< V3…) khi các yếu tố cắt

khác được cố định. Trên cơ sở đó lập được đồ thị quan hệ giữa tốc độ cắt và tuổi

bền và chuyển sang đồ thị lôga hình 44.

Hình 44: Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôga)

Qua đồ thị quan hệ V-T thiết lập công thức liên hệ giữa tốc độ và tuổi bền:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

V = A/Tm

- 64 -

Chƣơng 3 - NGHIÊN CỨU VỀ MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA

CÔNG THÉP SKD61

3.1. Thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành tại Phòng Thí nghiệm Cơ khí và Động lực - Khoa

Cơ khí trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Mục đích của thí

nghiệm nhằm lựa chọn chế độ cắt phù hợp cho dao phay ngón thép gió phủ PVD -

TiN khi gia công vật liệu chế tạo khuôn ép đúc áp lực SKD61. Qua thí nghiệm lựa

chọn được chế độ cắt để gia công vật liệu chế tạo khuôn mẫu (Gia công nửa khuôn

dưới của bộ khuôn ép nắp bình ga, số lượng 6 phần tử dạng hốc) đảm bảo tăng tuổi

bền của dụng cụ.

Tác giả sử dụng máy đo độ bóng bề mặt SJ-201 của hãng Mitutoyo - Nhật Bản

để đo độ bóng của các đường gia công thử.

Hình 45: Hình ảnh hốc trong thì nghiệm được thiết kế trên phần mềm CATIA

3.1.1. Dao

Sử dụng dao phay ngón thép gió 2 me cắt 10 phủ PVD-TiN của hãng

Mitsubishi Nhật Bản cung cấp (ký hiệu: 10 G-2MS U8) với chiều dày lớp phủ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2 m (theo số liệu của nhà sản xuất) được sử dụng để gia công thép SKD61. Dao có

- 65 -

độ cứng phần chuôi (52-55HRC) và phần cắt (62-65HRC). Thông số hình học của

dao cho trên bảng sau:

Góc Góc trước Góc sau trên Góc sau trên Góc sau phụ trên Chiều rộng

cạnh viền

xoắn 300 chính 150 cạnh viền 30 lưỡi cắt chính 50 lưỡi cắt chính 300 0,5mm

Bảng 8: Các thông số hình học của dao phay ngón 10 phủ PVD - TiN

3.1.2. Phôi

Phôi thép SKD61 thí nghiệm được rèn, sau đó ủ trong lò giảm độ cứng đến 225

- 235HB. Sau đó được phay thành khối 300x210x30 bằng dao phay gắn mảnh hợp

kim cứng. Thành phần hoá học của phôi được xác định bằng phương pháp phân tích

quang phổ chỉ ra trên bảng:

0,371

0,339

0,930

0,0083

0,021

0,103

5,220

1,169

0,106

0,853

0,0082

0,019

0,044

% C Mn Si S P Ni Cr Mo Cu V Ti Al W

SKD61

Bảng 8: Thành phần hoá học của thép SKD61

Sử dụng kính hiển vi quang học AXOVOC-1000 của Nhật tại phòng thì nghiệm

vật liệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội để chụp cấu trúc kim tương của thép

SKD61.

Hình 46: Cấu trúc kim tương của thép SKD61 thí nghiệm chụp trên tiết diện dọc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phôi tỷ lệ phóng đại 500 và 1000 lần.

- 66 -

Hình 47: Cấu trúc kim tương của thép SKD61 thí nghiệm chụp trên tiết diện ngang

phôi tỷ lệ phóng đại 500 và 1000 lần

3.1.3. Máy

Trung tâm gia công VMC - 85S do hãng Maximart sản xuất năm 2003 với hệ

điều khiển Fanuc OMD, máy có khả năng tích hợp CAD/CAM qua cổng RS 232.

Thông số kỹ thuật cơ bản của máy

Thông số Kích thước bàn làm việc Hành trình theo trục X Hành trình theo trục Y Hành trình theo trục Z Đường kính trục chính Tốc độ cắt (chạy dao) Đơn vị mm mm mm mm mm mm/ph Kích thƣớc 515 x 1050 850 560 520 65 1 - 5000

Tốc độ dịch chuyển nhanh theo X, Y mm/ph 12000

Tốc độ dịch chuyển nhanh theo Z Công suất động cơ chính Động cơ secvo X, Y, Z Trọng lượng Tốc độ quay trục chính Số đầu dao Kích thước tổng thể mm/ph Kw Kw Kg Vg/ph 16 mm 10000 3.7 - 5.5 0.5 - 3.5 4200 60 - 8000 BT 40 3500 x 3020 x 2520

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng 9: Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy

- 67 -

3.1.4. Chế độ cắt

Tác giả sử dụng dải tốc độ cắt 20, 30 và 40m/phút (tương ứng với vận tốc trục

chính 637, 995 và 1274 vòng/phút), lượng chạy dao từ 100 đến 260mm/phút. Chiều

dầy phoi cắt được lựa chọn a = 2mm = const, chiều sâu cắt t = 10mm. Chiều dài

mỗi rãnh cắt l = 210mm, dạng phay là phay nghịch trong môi trường không khí (cắt

khô).

S (mm/phút) V (m/phút) Tình trạng dao sau 3 rãnh cắt Dao 10

1 100 20 Tốt

2 100 30 Tốt

3 100 40 Tốt

4 140 20 Tốt

5 140 30 Tốt

6 140 40 Tốt

7 170 20 Tốt

8 170 30 Tốt

9 170 40 Tốt

10 200 20 Tốt

11 200 30 Tốt

12 200 40 Tốt

13 230 20 Tốt

14 230 30 Tốt

15 230 40 Tốt

16 260 20 Tốt

17 260 30 Tốt

18 260 40 Tốt

19 170 50 Bề mặt dao có màu tím nhạt

20 200 50 Bề mặt dao có màu tím nhạt

Bảng 10: Các chế độ cắt sử dụng để cắt thử với dao 10 phủ PVD-TiN phay đoạn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thẳng trên vật liệu SKD61

- 68 -

3.2. Kết quả thí nghiệm

3.2.1. Nhám bề mặt

Tiến hành gia công, quan sát đo và ghi chép kết quả thí nghiệm. Đo các đường

cắt, giá trị Ra và Rz là trung bình cộng của ba lần đo tại ba vị trí khác nhau của

đường gia công. Chiều dài cắt là 210mm, sau ba đường cắt thay dao khác để tiếp tục

gia công ở chế độ cắt khác.

Ra Rz a t S V TT (mm) (mm) (mm/phút) (m/phút) ( m) ( m)

1. 2 10 140 20 2,14 7,12

2. 2 10 140 30 1,52 6,05

3. 2 10 140 40 1,3 5,03

4. 2 10 170 20 2,88 8,32

5. 2 10 170 30 2,63 7,47

6. 2 10 170 40 1,76 6,4

7. 2 10 200 20 1,75 5,35

8. 2 10 200 30 1,03 4,54

9. 2 10 200 40 0,88 3,98

10. 2 10 230 20 6,11 20,4

11. 2 10 230 30 4,43 19,68

12. 2 10 230 40 3,88 19,52

13. 2 10 260 20 2,15 9,08

14. 2 10 260 30 1,56 7,24

15. 2 10 260 40 1,67 7,02

Bảng 10: Bảng tổng hợp dữ liệu gia công

3.2.2. Thời gian gia công

Tổng hợp thời gian gia công ứng với các lượng chạy dao khác nhau theo bảng

100

140

170

200

230

260

11 (thời gian tính cho một đường cắt):

2,2

1,5

1,03

0,98

0,95

0,82

S(mm/phút)

T (phút)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng 11: Thời gian gia công với lượng chạy dao khác nhau

- 69 -

Kết quả sau khi gia công ba đường cắt dụng cụ vẫn làm việc tốt. Tác giả cũng

thử với tốc độ cắt 50m/phút, lượng chạy dao lần lượt là 170mm/phút, 200mm/phút

dụng cụ vẫn làm việc bình thường, tuy nhiên phoi có màu tím hung chứng tỏ nhiệt

độ phát sinh trong quá tình cắt cao.

Kiểm tra các đường cắt với tốc độ V = 40m/phút, S = 170mm/phút, S =

200mm/phút cho độ bóng bề mặt cao. Qua kiểm tra dụng cụ cắt: bề mặt dụng cụ

bình thường.

3.2.3. Phân tích kết quả

Qua các đường cắt thử có thể thấy, với ba đường cắt thì dụng cụ mòn không

đáng kể, bề mặt gia công độ bóng bề mặt đạt cao.

Trong quá trình gia công tác giả nhận thấy: phoi sau khi gia công bị cuốn vào

vùng cắt, ảnh hưởng đến quá trình làm việc của dụng cụ, vì vậy tác giả sử dụng khí

để đẩy phoi ra khỏi vùng cắt, tạo điều kiện cho dao làm việc tốt hơn.

3.2.4. Kết luận

Với mục đích đặt ra của đề tài nhằm tăng tuổi bền của dụng cụ, tác giả chọn tốc

độ cắt và lượng chạy dao trung bình để tăng tuổi bền cho dụng cụ. Chế độ cắt đó

cũng phù hợp với kết quả thí nghiệm qua các lần cắt thử, chọn bộ chế độ cắt để gia

công các hốc:

V = 40m/phút.

S = 200mm/phút. (thay đổi lượng chạy dao để so sánh S = 170mm/phút)

a = 2mm = const.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

t = 5mm. (thay đổi chiều sâu cắt để so sánh t = 7,5mm)

- 70 -

Chƣơng 4 – ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MÒN DAO PHAY PHỦ

PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61

4.1. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao

4.1.1. Kết quả thí nghiệm

Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến mòn được khảo sát trên dao phay ngón phủ

PVD-TiN dùng cắt thép SKD61 sử dụng bộ chế độ cắt 9, 12 và 15 để gia công ba

đường cắt thử và sử dụng bộ chế độ cắt 9 và 12 để gia công hoàn thiện một hốc. Các

dao sau khi gia công được cắt trên máy cắt dây phần cắt của dao (mũi dao), làm

sạch bằng cồn, dùng máy nén khí để làm sạch các vết bẩn. Thông số mòn mặt sau,

hình ảnh mòn dụng cụ được chụp trên kính hiển vi điện tử (ảnh SEM). Kết qủa thể

hiện trên bảng 12 và 13:

Lượng chạy dao (mm/phút) 170 230 260

0,05 0,07 0,06 hs (mm)

Bảng 12: Thông số mòn theo lượng chạy dao khi gia công ba đường cắt

Lượng chạy dao (mm/phút) 170 200

0,14 0,18 hs (mm)

Bảng 13: Thông số mòn theo lượng chạy dao khi gia công hốc

Khi gia công với thay đổi lượng chạy dao tốc độ cắt giữ cố định V = 40m/phút.

Kết quả cho thấy lượng mòn hầu như không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể.

Khi gia công ở hốc lượng mòn mặt sau chênh lệch 0,04mm (40 m), như vậy

với lượng chạy dao cao cho kết quả tốc độ mòn mặt sau nhanh hơn.

4.1.2. Phân tích kết quả

Thay đổi lượng chạy dao khi đó thời gian gia công thay đổi, với lượng chạy dao

S = 200mm/phút thời gian gia công nhanh hơn so với lượng chạy dao S =

170mm/phút (nhanh hơn 15 phút 12 giây).

Qua kết quả ở trên, khi gia công khuôn (khi gia công các đường cong) nên chọn

lượng chạy dao trung bình 170mm/phút. Tuy nhiên không nên chọn lượng chạy

dao quá thấp vì khi đó lực cắt giảm đi nhưng ma sát giữa dao và chi tiết gia công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tăng lên làm tăng mòn dụng cụ.

- 71 -

Khi chụp trên kính hiển vi điện tử đã thấy những vết hỏng trên lưỡi cắt chính dù

khi đó cắt ở lượng chạy dao S = 170mm/phút.

4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt

4.2.1. Kết quả thí nghiệm

Các dao được sử dụng gia công ba đường cắt với bộ chế độ cắt 11 và 12, kết quả

thể hiện trên bảng 14:

Tốc độ cắt (m/phút) 30 40

0,3 0,05 hs (mm)

Bảng 14: Thông số mòn theo tốc độ cắt

Với lượng chạy dao thấp dụng cụ mòn rất nhanh 6 lần. Chiều cao mòn mặt sau

hs = 0,3mm chỉ sau 3 đường cắt (Sau 2,94 phút)

4.2.2. Phân tích kết quả

Từ kết quả trên ta thấy, khi gia công với tốc độ thấp lượng mòn mặt sau rất lớn

tuy chỉ sau ba đường cắt, với lượng chạy dao V = 40m/phút (tốc độ cắt tác giả lựa

chọn để gia công các hốc) cho thấy lượng mòn rất nhỏ. Tuy nhiên cũng không nên

tăng tốc độ cắt quá lớn (lớn hơn 40 - 50m/phút) vì khi cắt thử với tốc độ cắt V =

50m/phút nhiệt sinh ra rất lớn, qua quan sát dụng cụ đã thấy trên bề mặt có dấu hiệu

bị cháy đặc biệt là ở vùng lưỡi cắt chính.

4.3. Cơ chế mòn dao phay phủ PVD-TiN

Dao phay ngón thép gió phủ trong nghiên cứu được phủ PVD-TiN trên toàn bộ

dao, sau khi cắt được mài lại mặt sau. Trong nghiên cứu của tác giả Phan Quang

Thế [5], đã đưa ra kết luận hiệu quả của dụng cụ phủ nằm ở mặt trước của lưỡi cắt

chính chứ không phải trên mặt sau.

Qua nghiên cứu thấy mòn bắt đầu xuất hiện khi một phần của lớp phủ bị phá

huỷ, tạo nên vùng mòn ở trung tâm của vùng nhiệt.

Trên hình 48, 49 và 50 là một số hình ảnh chụp dụng cụ khi gia công các đường

cắt thử. Mỗi dao thực hiện ba đường cắt, sau mỗi lần sử dụng dao, tiến hành cắt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ngắn bằng chiều sâu cắt và mài lại.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 72 -

(g)

(h)

(f)

- 73 -

Hình 48: Ảnh SEM của dụng cụ với chế độ cắt S = 30m/phút, S = 200mm/phút, thời

gian cắt t = 2 phút 56 giây.

Hình (a): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 200 lần.

Hình (b): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 500 lần.

Hình (c): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 1000 lần.

Hình (d): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần.

Hình (e): Ảnh chụp vùng tiếp giáp mũi dao với độ phóng đại 400 lần.

Hình (f): Ảnh chụp giao tuyến giữa mặt trước và mặt sau (ở mặt đầu) với độ

phóng đại 500 lần.

Hình (g): Ảnh chụp phần nứt trên mặt sau của dụng cụ.

Hình (h): Ảnh chụp phần nứt trên mặt sau của dụng cụ.

Hình (i): Ảnh chụp phần giao tuyến trên mặt sau giữa vùng mòn và không mòn

Qua hình ảnh ta thấy rất rõ khi một phần của lớp phủ bị mòn, vùng mòn xuất

hiện và lớn dần, vùng mòn chủ yếu ở mặt sau, bề mặt dụng cụ bị cào xước mạnh do

các hạt mài mòn. Vùng mầu sáng là vật liệu nền dụng cụ, vùng mầu sẫm là vùng vật

liệu phủ.

Ở hình 48 (a), (b), (c) lưỡi dụng cụ bị sứt mẻ, không thẳng do dụng cụ bị yếu và

va chạm phải các hạt mài khi gia công. Nhiệt phát sinh trong quá trình gia công lớn

dẫn đến hiện tượng vật liệu chảy dính bám trên bề mặt của dụng cụ (hình b). Các

vết nứt đã xuất hiện trong lớp phủ (hình c), điều này khẳng định lại đúng cơ chế phá

huỷ của vật liệu phủ.

Mũi dụng cụ bị phá huỷ nghiêm trọng, mũi dụng cụ bị cùn, xuất hiện các vết nứt

trên bề mặt dụng cụ (hình 48 f, g) vết nứt lớn dần bong ra khỏi lớp vật liệu nền, bị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

bóc đi cả mảng vật liệu nền, làm xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt (hình d, e), lưỡi

- 74 -

cắt phần giao tuyến mặt trước và mặt sau cũng bị cùn (hình f). Điều này làm giảm

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

khả năng cắt gọt của dụng cụ.

Hình 49: Ảnh SEM của dụng cụ với chế độ cắt S = 40m/phút, S = 260mm/phút, thời

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

gian cắt t = 2 phút 28 giây.

- 75 -

Hình (a): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 500 lần.

Hình (b): Ảnh mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 2000 lần.

Hình (c): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần.

Hình (d): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần.

Hình (e): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 1000 lần.

Hình (f): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 2000 lần.

Tương tự như kết quả ở trên, những với tốc độ và lượng chạy dao lớn hơn, nhiệt

độ sinh ra cao, xuất hiện lớp vật liệu nền bị vỡ (hình b). Vật liệu nóng chảy bám

dính lên mũi dụng cụ (hình e, f).

Trên mặt sau của dụng cụ vật liệu gia công bám dính trên bề mặt (hình b), Tại

(a)

(b)

mũi dụng cụ cắt cũng xuất hiện hiện tượng này (hình e, f).

Hình 50: Ảnh SEM của dụng cụ với chế độ cắt S = 40m/phút, S = 230mm/phút, thời

gian cắt t = 2 phút 51 giây.

Hình (a): Ảnh chụp mũi dao và một phần mặt sau với độ phóng đại 500 lần

Hình (b): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 2000 lần.

Khi giảm lượng chạy dao từ 260mm/phút còn S = 230mm/phút, (hình 49 d và

hình 50 a) ta thấy mũi dụng cụ mòn ít hơn, nhưng vẫn xảy ra hiện tượng bám dính

của vật liệu gia công lên bề mặt dụng cụ.

Tiếp tục giảm lượng chạy dao xuống còn S = 170mm/phút (trên hình 51), hiện

tượng bám dính vẫn xảy ra. Bắt đầu xuất hiện hiện tượng chảy dính của vật liệu gia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

công trên bề mặt dụng cụ.

(a)

(b)

(d)

(c)

- 76 -

Hình 51: Ảnh SEM của dụng cụ với chế độ cắt S = 40m/phút, S = 170mm/phút, thời

gian cắt t = 3 phút 5 giây.

Hình (a): Ảnh mặt trước mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 500 lần.

Hình (b): Ảnh mặt trước mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 2000 lần.

Hình (c): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần.

Hình (d): Ảnh chụp phần sát mũi dao trên mặt sau với độ phóng đại 2000 lần.

Với tốc độ cắt V = 40m/phút, thay đổi lượng chạy dao, khi lượng chạy dao giảm

(S = 170mm/phút), thấy xuất hiện hiện tượng lớp phủ bị nứt, xảy ra hiện tượng vật

liệu gia công bị chảy dính trên lưỡi cắt (hình 50 c), vùng tiếp giáp lưỡi mũi cắt trên

mặt sau với độ phóng đại 2000 lần (hình d) thấy rõ cơ chế đó, mũi dao bị cùn mạnh.

Qua các hình ảnh cho thấy rất rõ cơ chế phá huỷ dao phay ngón phủ: Sau khi bị

mòn một phần lớp phủ TiN lớp vật liệu nền (thép gió) bị phá huỷ rất nhanh. Ở các

chế độ cắt khác nhau lớp vật liệu nền có thể bị bóc từng mảng, sứt mẻ, bị nứt hoặc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

bị chảy dính lên trên bề mặt dụng cụ.

- 77 -

Ứng dụng chế độ cắt khi gia công thử các đường cắt, phân tích và so sánh ở

trên, lựa chọn chế độ cắt V = 40m/phút, S = 170mm/phút, S = 200mm/phút để gia

(a)

(c)

công các hốc. Kết quả thể hiện qua chụp ảnh SEM ở hình 52 và 53.

(d)

(f)

(b)

(g)

(i)

(h)

(m)

(k)

(e)

(l) Hình 52: Ảnh SEM của dụng cụ khi phay hốc với chế độ cắt V = 40m/phút, S =

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

200mm/phút, thời gian cắt t = 35 phút 18 giây.

- 78 -

Hình (a): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần.

Hình (b): Ảnh chụp lưỡi cắt giao tuyến mặt trước và mặt sau (mặt đầu) với độ

phóng đại 500 lần.

Hình (c): Ảnh chụp lưỡi cắt giao tuyến mặt trước và mặt sau (mặt đầu) vùng

tiếp giáp với mũi dao với độ phóng đại 1500 lần.

Hình (d): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần.

Hình (e): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần.

Hình (f): Ảnh chụp mặt sau trên cạnh viền với độ phóng đại 200 lần.

Hình (g): Ảnh chụp mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng

đại 500 lần.

Hình (h): Ảnh chụp mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng

đại 500 lần.

Hình (i): Ảnh chụp mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng

đại 2000 lần.

(c)

(a)

(b)

(d)

(f)

Hình (k, l, m): Ảnh chụp các vết nứt trên cạnh viền

(e) Hình 53: Ảnh SEM của dụng cụ khi phay hốc với chế độ cắt V = 40m/phút, S =

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

170mm/phút, thời gian cắt t = 20 phút 6 giây.

- 79 -

Hình (a): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 100 lần.

Hình (b): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần.

Hình (c): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 200 lần.

Hình (d): Ảnh chụp mũi dao với độ phóng đại 500 lần.

Hình (e): Ảnh mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng đại

200 lần.

Hình (f): Ảnh mặt sau trên cạnh viền (phần mòn nhiều nhất) với độ phóng đại

300 lần.

Qua hình ảnh trên cho thấy khi cắt với lượng chạy dao S = 200mm/phút dao bị

mòn ít hơn, đặc biệt là mức độ cào xước trên bề mặt. Hiện tượng bám dính vật liệu

gia công xảy ra ít hơn. Có thể thấy mặt trước hầu như không bị mòn, chủ yếu là

mòn mặt sau. Mũi dao cùn mạnh ảnh hưởng đến khả năng gia công của dụng cụ, với

lượng chạy dao S = 170mm/phút ở đầu mũi dao bị phá huỷ mạnh, với lượng chạy

dao S = 200mm/phút vẫn xảy ra hiện tượng chảy dính vật liệu (hình 52 c).

Khi cắt với chế độ cắt V = 40m/phút, S = 200mm/phút xuất hiện nhiều vết nứt

trên cạnh viền, đặc biệt là vùng cách mũi dụng cụ bằng chiều dày phoi cắt (a =

2mm) đây cũng là vùng mòn nhiều nhất trên cạnh viền.

Thành phần hoá học tại vùng mòn mặt sau của dụng cụ được phân tích trên máy

S-4800 do hãng Hitachi sản xuất tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và

Công nghệ Việt Nam.

Hình 54: Các điểm phân tích thành phần hoá học trên mặt sau với chế độ cắt V =

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

30m/phút, S = 200mm/phút

(a)

(b)

(c)

(d)

- 80 -

Hình 55: Phổ thu được ứng với các điểm D1, D2, D3, D4 trên hình 54.

(hình a: D1, hình b: D2, hình c: D3, hình d: D4)

Kết quả cụ thể cho trên bảng 15:

Điểm C N O Si Ti Cr Fe Mo Co W

1 5,24 25,44 11,04 0,18 37,32 1,17 15,54 0,85 - 1,22

-

3,21(Co)

2 4,42 22,71 23,43 0,30 29,24 1,31 16,27 0,72 - 1,59

0,22(Al) 32,45 0,70 16,13 2,70 38,45 0,79

1,21(Ge)

1,23(V)

3 5,35

4 5,53 6,46 1,35 4,38 61,38 3,93 4,72 9,80

Bảng 15: Thành phần hoá học đo tại các điểm D1, D2, D3, D4 trên hình 54.

Từ bảng 15 Tại vùng mòn nhiều nhất và vùng mòn ít nhất (lớp phủ chưa bị

mòn) ngoài thành phần lớp phủ (gồm Ti và N) còn xuất hiện các thành phần hoá

học khác, điều này chứng tỏ xảy ra hiện tượng khuếch tán. Đó cũng là nguyên nhân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

làm cho lớp phủ yếu đi làm mòn dụng cụ.

- 81 -

Hình 56: Các điểm phân tích thành phần hoá học trên mặt sau với chế độ cắt V =

(a)

(b)

(c)

(d)

40m/phút, S = 260mm/phút

Hình 57: Phổ thu được ứng với các điểm D1, D2, D3, D4 trên hình 56.

(hình a: D1, hình b: D2, hình c: D3, hình d: D4)

Điểm C N Si Ti Cr Fe Mo Co W O

2,52 40,55 0,18 56,09 0,24 0,42 - - - - 1

1,11 (V)

2,64 37,77 58,65 0,94 - - - - - - 2

0,31 (P) 12,08 1,77

9,09 2,96 37,04 9,67 5,63 18,86 3

- - 54,81 29,17 - 16,02 - - - 4 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng 16: Thành phần hoá học đo tại các điểm D1, D2, D3, D4 trên hình 56.

- 82 -

Tương tự như trên, cũng xảy ra hiện tượng khuếch tán trên mặt sau dụng cụ, tuy

nhiên ở chế độ cắt này hiện tượng khuếch tán xảy ra ít hơn. Điều này cũng phù hợp

với kết quả đo mòn mặt sau dụng cụ. Khi cắt ở tốc độ cắt V = 30m/phút thì lượng

mòn mặt sau lớn hơn.

Hình 58: Các điểm phân tích thành phần hoá học trên mặt sau khi phay hốc với chế

(a)

(b)

(c)

độ cắt V = 40m/phút, S = 170mm/phút

Hình 59: Phổ thu được ứng với các điểm D1, D2, D3 trên hình 58.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(hình a: D1, hình b: D2, hình c: D3)

- 83 -

Điểm C O Si Ti Cr Fe Mo Co W N

- 2,07 50,96 0,58 18,82 1,56 24,14 - 1,88 - 1

- 3,46 40,52 0,77 9,96 2,16 39,43 0,69 3,01 - 2

0,67(Al) 22,44 2,28

2,97 1,43 4,49 51,40 4,47 4,99 3,67 3

Bảng 17: Thành phần hoá học đo tại các điểm D1, D2, D3 trên hình 58.

Hình 60: Các điểm phân tích thành phần hoá học trên mặt sau khi phay hốc với chế

(a)

(b)

(c)

độ cắt V = 40m/phút, S = 200mm/phút

Hình 57: Phổ thu được ứng với các điểm D1, D2, D3 trên hình 60.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(hình a: D1, hình b: D2, hình c: D3)

- 84 -

0,69(Ta)

Si Điểm C N O Ti Cr Fe Mo Co W

1,20(V)

- 1 1,86 12,93 40,18 36,87 0,42 7,05 - -

1,17 (Ge)

1,01(V)

2 2,53 19,06 37,85 2,57 28,54 1,01 5,17 1,36 0,70

3 8,41 8,95 1,87 3,72 45,13 7,94 5,90 15,55

Bảng 18: Thành phần hoá học đo tại các điểm D1, D2, D3 trên hình 60.

Khi gia công hốc, tốc độ cắt giữ không đổi, tiến hành thay đổi lượng chạy dao,

tăng lượng chạy dao từ S = 170mm/phút đến S = 200mm/phút kết quả cho thấy hiện

tượng khuếch tán xảy ra chậm hơn.

4.4. Hiệu quả sử dụng dao phay ngón phủ PVD-TiN

4.4.1. Kết quả đo nhám và mòn dụng cụ

Kết quả đo nhám ở bảng 10 và hình ảnh mòn dụng cụ qua các ảnh trên cho thấy

hiệu quả rất lớn khi sử dụng dao phay ngón phủ PVD-TiN để gia công vật liệu

SKD61, với cùng tốc độ cắt tăng lượng chạy dao thì mòn thay đổi rất nhỏ, nếu giữ

cùng lượng chạy dao thay đổi tốc độ cắt thì mòn thay đổi lớn (khi tăng tốc độ cắt từ

30m/phút đến 40m/phút chiều cao mòn mặt sau giảm 5 lần).

4.4.2. Nhận xét và kết luận

Khi gia công vật liệu SKD61 (cụ thể là gia công các hốc) chiều cao mòn mặt

sau lớn nhất hs = 0,125mm (ứng với bộ chế độ cắt V = 40m/phút, S = 170mm/phút) vẫn nằm trong giới hạn [hs] cho phép, thể tích phoi bóc đi Vphoi = 34,73cm3. So sánh với nghiên cứu gia công trước (tiêu tốn 12 con dao) thì trong nghiên cứu của tác giả

chỉ tốn 4 con dao. Tuy nhiên với bốn con dao tác giả sử dụng nghiên cứu vẫn có thể

tiếp tục sử dụng để gia công.

Như vậy hiệu quả sử dụng dao phay ngón thép gió phủ PVD-TiN so với sử dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dụng cụ trong nghiên cứu trước đã rất rõ ràng.

- 85 -

Chƣơng 5 - KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

5.1. Kết luận

Khi cắt thép SKD61 với tốc độ cắt lựa chọn, lượng chạy dao thay đổi khi gia

công các hốc S = 170 và 200mm/phút, chiều dày phoi a = 2mm, chiều sâu cắt t = 5

và 7,5mm khi đó thời gian gia công giảm xuống. Dụng cụ bị mòn những vẫn nằm

trong giới hạn cho phép.

Mũi dao bị phá huỷ mạnh do nhiệt cắt tại mũi dao lớn nhất, ở vùng gần mũi dao

dụng cụ mòn ít hơn và phất triển mạnh dần đến vị trí cách mũi cắt khoảng 2mm

(bằng chiều dày phoi) thì dụng cụ mòn nhiều nhất, các vết nứt trên bề mặt xuất hiện

nhiều nhất.

Bề mặt trước của dụng cụ mòn hầu như không đáng kể như hình 52 (b), do ma

sát giữa phoi và mặt trước, một phần mặt trước tính từ lưỡi cắt dường như bề mặt

nhẵn hơn. Không thấy xuất hiện các vết cào xước trên bề mặt.

Ở mặt sau hiện tượng cào xước xảy ra mạnh hơn, các vết cào xước xuất hiện

cùng chiều chuyển động của dao. Khi cắt với bộ chế độ cắt (V = 40m/phút, S =

200mm/phút) hiện tượng này ít hơn so với khi cắt với bộ chế độ cắt (V = 40m/phút,

S = 170mm/phút). Với tốc độ cắt V = 40m/phút không hình thành lẹo dao.

Cơ chế mòn dụng cụ rất rõ ràng, với lớp phủ: lớp phủ ở phần giao tuyến giữa

mặt trước và mặt sau mòn, sau đó phát triển rộng dần, lớp phủ có xuất hiện các vết

nứt, chảy rồi bong ra từng mảng. Với vật liệu nền cũng xuất hiện các vết chảy, bong

ra từng mảng vật liệu làm xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt, cứ như vậy dụng cụ bị

bào mòn đến khi dụng cụ không còn khả năng cắt.

Sự phá huỷ của mũi cắt rất lớn, sau khi gia công một hốc mũi dụng cụ bị mòn

và phát triển dần về phía lưỡi cắt.

Nhám bề mặt đo được sau các lần cắt Rz = 3,98 đến 19,68 m, Ra = 0,88 đến

6,11 m.

Tuổi bền của dụng cụ cắt tính theo thể tích phoi bóc đi đúng bằng thể tích hốc,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thể tích hốc tính toán trên phần mềm: Vphoi = 34,73cm3 ứng với hs = 0,125mm.

- 86 -

5.2. Phƣơng hƣớng nghiên cứu tiếp theo

Hạn chế của nghiên cứu này chỉ dừng lại ở việc lựa chọn chế độ cắt phù hợp để

gia công vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực SKD61.

Tiếp tục nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho dụng cụ đặc biệt khi phay

các cung tròn, tương tự như khi phay hốc.

Tiếp tục nghiên cứu nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, đo lực cắt để làm sáng tỏ

hơn cơ chế phá huỷ của lớp phủ khi phay thép SKD61.

Tiếp tục nghiên cứu cơ chế phá huỷ mũi dao, nghiên cứu mòn mặt trước của

dụng cụ do các nguyên nhân khác nhau.

Tiếp tục nghiên cứu mòn dụng cụ khi phay thép SKD61 đã qua tôi kết hợp biện

pháp làm mát phù hợp để có khái niệm đầy đủ hơn qua đó khai thác, sử dụng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cụ cắt phủ PVD-TiN một cách hiệu quả hơn.