Luận văn: Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o §¹i häc th¸i nguyªn Trêng ®¹i häc kü thuËt c«ng nghiÖp -------------------------------------------------------- trÇn ngäc giang Nghiªn cøu mèi quan hÖ gi÷a mßn vµ tuæi bÒn

cña dao g¾n m¶nh PCbn theo chÕ ®é c¾t

khi tiÖn thÐp 9xc qua t«i

Chuyªn ngµnh: C«ng nghÖ ChÕ t¹o m¸y LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Người hướng dẫn khoa học PGS.TS. Phan Quang ThÕ

Th¸ i nguy ªn - 2008

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

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Thày

hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình

của thày trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu tham khảo cũng như

những chỉ bảo trong quá trình tôi làm thực nghiệm và viết luận văn.

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn tới khoa Sau đại học, khoa Cơ khí, Bộ môn

Cơ học vật liệu, lãnh đạo Trung tâm thí nghiệm đã ủng hộ về tinh thần và tạo

điều kiện cho tôi về thời gian để tôi có thể hoàn thành bản luận văn của mình.

Tôi xin cảm ơn thày giáo TS. Nguyễn Văn Hùng, ThS. Lê Viết Bảo về sự

tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này.

Tôi cũng muốn cảm ơn tới ông Trưởn g phòng kỹ thuật, các cán bộ,

nhân viên phòng kế hoạch và Xưởng cơ khí Nhà máy Z159 - Thái Nguyên,

các cán bộ phụ trách Phòng thí nghiệm Quang phổ, khoa vật lý trường

ĐHSP Thái Nguyên, Phòng thí nghiệm Kim loại học, đại học Bách khoa

Hà Nội đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thành

nghiên cứu của mình.

Cho tôi được gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, nhân viên Xưởng Cơ khí nơi

tôi tiến hành thực nghiệm.

Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô

giáo, người thân, các bạn bè đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong

suốt thời gian thực hiện luận văn này.

Tác giả

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

Trần Ngọc Giang

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Danh mục các bảng biểu

Mở đầu

1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng 1

2. Tính cấp thiết của đề tài 5

2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 6

2.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 6

2.3. Phương pháp nghiên cứu 7

Chương 1

Bản chất vật lý của quá trình cắt thép có độ cứng cao

1.1. Qúa trình cắt và tạo phoi 8

1.2. Lực cắt 12

1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 12

1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 14

1.3. Nhiệt cắt 16

1.3.1. Khái niệm chung 16

1.3.2. Quá trình phát sinh nhiệt 20

1.4. Kết luận 24

25 Chương 2

Chất lượng bề mặt khi tiện cứng

2.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt 25

2.2. Bản chất của lớp bề mặt 26

2.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt 26

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

2.3.1. Lớp biến dạng 26

2.3.2. Lớp Beilbly 27

2.3.3. Lớp tương tác hóa học 27

2.3.4. Lớp hấp thụ hoá học 28

2.3.5. Lớp hấp thụ vật lý 28

2.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện cứng 29

2.4.1. Độ nhám bề mặt và các phương pháp đánh giá 29

2.4.1.1. Độ nhám bề mặt 29

2.4.1.2. Các phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt 32

2.4.2. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 32

2.4.2.1. Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt 32

2.4.2.2.Ứng suất dư trong lớp bề mặt 35

2.4.2.3. Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư 39

2.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng 40

2.5.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học dụng cụ cắt 40

2.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt 41

2.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao 42

2.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 43

2.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công 43

2.5.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ 44

2.6. Kết luận 44

46 Chương 3

Mòn và tuổi bền dụng cụ khi tiện cứng

3.1. Mòn dụng cụ cắt 46

3.1.1. Khái niệm chung 46

3.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt 47

3.1.2.1. Mòn do dính 48

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

3.1.2.2. Mòn do hạt mài 49

3.1.2.3. Mòn do khuếch tán 49

3.1.2.4. Mòn do ôxi hoá 50

3.1.3. Mòn dụng cụ cắt và cách xác định 51

3.1.3.1. Mòn dụng cụ cắt 51

3.1.3.2. Cách xác định 53

3.1.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt 54

* Chỉ tiêu mòn tối ưu 54

* Chỉ tiêu mòn công nghệ 55

3.1.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng 55

3.1.5. Kết luận 55

3.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt 55

3.2.1. Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt 55

3.2.2. Các nhân t ố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 57

3.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt 57

3.2.2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học dụng cụ cắt 59

3.2.3. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt 60

3.2.4. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 62

63 Chương 4

Nghiên cứu thực nghiệm mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của

dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi

4.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 63

4.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 63

4.2.1. Yêu cầu với hệ thống thí nghiệm 63

4.2.2. Mô hình thí nghiệm 64

4.2.3. Thiết bị thí nghiệm 65

4.2.3.1. Máy 65

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

4.2.3.2. Dao 65

4.2.3.3. Phôi 66

4.2.3.4. Chế độ cắt 67

4.3. Thiết bị đo khác 67

4.3.1. Máy đo độ nhám bề mặt 67

4.3.2. Kính hiển vi điện tử 68

4.4. Thí nghi ệm xác định quan hệ mòn của mảnh dao theo chế độ cắt 68

4.4.1. Quy trình tiến hành thí nghiệm 68

4.4.2. Xử lý kết quả thí nghiệm 69

4.4.2.1. Xác định thời gian cắt cơ bản trong các lần cắt 69

4.4.2.2. Xây d ựng quan hệ giữa thông số nhám bề mặt với thời gian cắt 70

4.4.2.3. Các hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử về mòn mảnh dao 71

4.4.2.4. Phân tích cơ chế mòn mảnh dao PCBN 76

4.4.2.5. Phân tích nhám bề mặt gia công 78

4.4.2.6. Phân tích kết quả và thảo luận 78

4.4.2.7. Kết luận 80

4.5. Nghiên cứu mối quan hệ giữa tuổi bền mảnh dao PCBN theo 82

chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi

4.5.1. Quá trình cắt thép 9XC bằng dao PCBN 82

4.5.2. Lựa chọn chế độ cắt cho nghiên cứu và tìm hàm quan hệ 83

4.6. Phần kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88

4.6.1. Phần kết luận chung 88

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

4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ap: chiều dày phoi

Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao

Kf: mức độ biến dạng của phoi

θ: góc trượt

γ (hay γn) góc trước của dao

Pz (hay Pc): lực tiếp tuyến khi tiện

Py (hay Pp): lực hướng kính khi tiện

Px: lực chiều trục khi tiện

S: lượng chạy dao (mm/vòng)

t: chiều sâu cắt (mm)

V: vận tốc cắt (m/phút)

Q: là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt

QAB = Q1: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt

QAC = Q2: nhiệt sinh ra trên mặt trước

QAD = Q2: nhiệt sinh ra trên mặt sau

Qphoi: nhiệt truyền vào phoi

Qdao: nhiệt truyền vào dao

Qphôi: nhiệt truyền vào phôi

Qmôi trường: nhiệt truyền vào môi trường

kAB: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất

AS: diện tích của mặt phẳng cắt

VS: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt

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

kt: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công

β: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi

c: nhiệt dung riêng

ρ: tỷ trọng của vật liệu

RT: hệ số nhiệt khi cắt

γ mt: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước

Φ: góc tạo phoi

δt: chiều dày của vùng biến dạng thứ hai

K: hệ số thẩm nhiệt

∆Fc, ∆Ft: áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trền vùng mòn mặt sau

Fcf, Ftf: lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến đo khi mòn dao

VBave: chiều cao trung bình của vùng mòn mặt sau

τf: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau

Kc, Kt: các hệ số thực nghiệm

µ: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước

µf: hệ số ma sát trên mặt sau

b: hệ số truyền nhiệt Hv: độ biến cứng (N/mm2); S: diện tích bề mặt đầu đo kim cương ấn xuống (mm2)

P: lực tác dụng của đầu kim cương (N)

r: bán kính mũi dao

hmin: chiều dày phoi nhỏ nhất

φ1

Vw: thể tích mòn mặt sau

Vcr: thể tích mòn mặt trước

KF, KB, KT: các kích thước vùng mòn mặt trước

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

hs: độ mòn giới hạn

T: thời gian cắt – tuổi bền của dụng cụ cắt (phút)

ti: thời gian cắt cơ bản

p: số các yếu tố thay đổi

Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện

n: số lần mài lại cho phép

VLGC: vật liệu gia công

VLDC: vật liệu dụng cụ

HKC: hợp kim cứng

xi: các ký hiệu mã hoá

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

N: số thí nghiệm

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình vẽ 1.1. Máy và quá trình cắt khô trong tiện cứng 2

Hình vẽ 1.2. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng 3

Hình vẽ 1.3. Sơ đồ miền tạo phoi 8

Hình vẽ 1.4. Miền tạo phoi 10

Hình vẽ 1.5. Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau 11

Hình vẽ 1.6. Tính góc trượt θ 11

Hình vẽ 1.7. Hệ thống lực cắt khi tiện 13

15 Hình vẽ 1.8. Ảnh hưởng của góc ϕ tới lực cắt

Hình vẽ 1.9. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt 16

Hình vẽ 1.10. (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt 19

(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại

Hình vẽ 1.11. Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi 20

trường phụ thuộc vào vận tốc cắt

Hình vẽ 1.12. Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác 21

định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi

Hình vẽ 1.13. Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn 23

Hình vẽ 2.1. Chi tiết bề mặt vật rắn 26

Hình vẽ 2.2. Độ nhám bề mặt 29

Hình vẽ 2.3. Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến 34

cứng với các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chua mòn)

Hình vẽ 2.4. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng 35

ứng với các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện

Hình vẽ 2.5. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng 38

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

suất dư lớp bề mặt

Hình vẽ 2.6. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới 41

nhám bề mặt khi gia công thép

Hình vẽ 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia 41

công thép

Hình vẽ 2.8. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 43

Hình vẽ 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt 48

liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b)

Hình vẽ 3.2. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện 51

0,6

52 Hình vẽ 3.3. Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim

1V .t

cứng với thể tích

Hình vẽ 3.4. Các thông số đặc trưn g cho mòn mặt trước và mặt 53

sau - ISO3685

Hình vẽ 3.5. Vùng mài lại của dụng cụ cắt 54

Hình vẽ 3.5. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt 57

sau của dao thép gió S 12-1-4-5 dùng tiện thép AISI C1050, với t = 2mm. Thông số hình học của dụng cụ: α=80, γ=100, λ=40, χ=900,

ε= 600, r=1mm, thời gian cắt T =30 phút.

Hình vẽ 3.6. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi đư ợc bóc tách 58

Hình vẽ 3.7. Tuổi bền dụng cụ tính bằng phút 59

Hình vẽ 3.8. Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và tuổi bền mảnh 60

PCBN với góc trước γn

Hình vẽ 3.9. Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mòn của dao 60

Hình vẽ 3.10. Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao 61

Hình vẽ 3.11. Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit) 61

Hình vẽ 4.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 64

Hình vẽ 4.2. Mô hình thí nghiệm 64

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

Hình vẽ 4.3. Máy tiện CNC- HTC2050 65

Hình vẽ 4.4. Mảnh dao TPGN, 160308 T2001 66

Hình vẽ 4.5. Thân dao MTENN 2020K16-N (hãng CANELA) 66

Hình vẽ 4.6. (a), Phôi thép 9XC qua tôi cứng, (b,c) Ảnh quang 67

học cấu trúc tế vi thép 9XC theo hai phương song song và vuông

góc với trục

Hình vẽ 4.7. Đồ thị quan hệ giữa thời gian cắt và nhám Ra, Rz 71

Hình vẽ 4.8. 1(a,b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 sau 2,61 72

phút cắt; 1(c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 được phóng to

với các vết biến dạng dẻo bề mặt;1(e) Hình ảnh mặt sau mảnh dao

số 1;1(f) Hình ảnh mặt sau mảnh số 1được phóng to.

Hình vẽ 4.9. 2(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 sau 5,19 phút 73

cắt; 2(b,c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 được to;3(a,b) Hình

ảnh mặt trước mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt; 3(c,d) Hình ảnh

mặt sau mảnh dao số 3.

Hình vẽ 4.10. 4(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 sau 10,09 74

phút cắt; 4(b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 được to;4(c,d)

Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 ; 4(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt

sau mảnh dao số 4 được phóng to.

Hìnhvẽ 4.11. 5(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 sau 12,36 75

phút cắt; 5(b,c) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 được to;5(d)

Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 5 ; 5(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt

sau mảnh dao số 5 được phóng to; 5(b) Hình ảnh cơ chế mòn mặt

trước với sự bóc tách của lớp vật liệu dụng cụ.

Hình vẽ 4.12. 1(a) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1 sau 2,61 phút 76

cắt; 3(b) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt;4(c)

Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 sau 10,09 phút cắt ; 5(d) Hình ảnh

mảng mòn mặt sau mảnh dao số 5 sau 12,36 phút cắt.

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

Hình vẽ 4.13. Quy hoạch thực nghiệm theo khối lập phương 84

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1. Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt 17

Bảng 1.2. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ cắt 18

Bảng 1.3. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ phủ 18

31 Bảng 2.1. Các giá trị Ra, Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp

độ nhám bề mặt

Bảng 2.2. Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương 33

pháp gia công cơ

Bảng 3.1. Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và 58

Thomas

Bảng 4.1. Thành phần các nguyên tố hoá học thép 9XC 67

Bảng 4.2. Chế độ cắt và các thông số nhám 69

Bảng 4.3. Thời gian cắt và các thông số nhám 70

Bảng 4.4. Bộ thông số chế độ cắt 83

Bảng 4.5. Ma trận thí nghiệm 85

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

Bảng 4.6. Ma trận 6 thí nghiệm thứ nhất 86

=1=

Mở đầu

CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

1. Giới thiệu về công nghệ tiện cứng

Tiện cứng (hard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào năm

1988, tuy nhiên công nghệ này chưa có điều kiện phát triển mạnh. Cho tới

những năm gần đây khi sự đổi mới về khoa học kỹ thuật đang trở thành tất

yếu thì tiện cứng đã phát huy được vai trò to lớn của nó trong việc gia công

tinh các sản phẩm thép qua tôi cứng.

Các chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun và những chi tiết của hệ thống thuỷ

lực,... sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn.

Các nguyên công này thường thiếu linh hoạt và mất nhiều thời gian. Hơn nữa

chi phí dung dịch trơn nguội cho nguyên công mài cũng khá cao. Mặt khác

chất thải khi mài ngày càng là vấn đề của môi trường sống. Những lý do trên

đã thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia

công tinh chi tiết.

Phương án tối ưu cho việc thay thế này chính là tiện cứng. Tiện cứng là

một cách sử dụng dao bằng mảnh vật liệu siêu cứng CBN (Cubic boron

nitride), PCBN, PCD hoặc Ceramic tổng hợp nhằm thay thế cho mài trong gia

công thép qua tôi (thường ≥ 45HRC). Phương pháp này có thể gia công khô

và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá. Cấp chính xác khi tiện cứng có

thể đạt IT5-7, nhám bề mặt Rz = 2 - 4 mµ , rõ ràng với chất lượng đạt được

như vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế được cho mài trong hầu hết các trường

hợp gia công công tinh các sản phẩm.

Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn

(các trục ngắn), con lăn,.. tới các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn,..

Để áp dụng công nghệ này hệ thống máy, dao, đồ gá phải đảm bảo các yêu

cầu như: Máy tiện đủ độ cứng vững, đủ tốc độ quay trục chính và công suất

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

phù hợp. Các máy tiện NC, CNC được khuyến cáo thực hiện công việc này.

=2=

Hình vẽ 1. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng

Các máy tiện điều khiển bằng tay có thể được dùng nếu đáp ứng được các yêu

cầu này.

Đồ gá trong tiện cứng phụ thuộc vào biên dạng các sản phẩm yêu cầu.

Nhìn chung các chi tiết gia công đều được cắt mà ít sử dụng đồ gá phụ vì lý

do độ cứng vững cần có trong tiện cứng. Hơn nữa với các máy điều khiển số

thì điều này không còn nhiều ý nghĩa. Các đồ gá phụ thường kèm theo các

máy khi sản xuất.

Dao tiện thường sử dụng là các mảnh lắp ghép với thân theo tiêu chuẩn

của từng máy. Các mảnh có nhiều loại theo hình dạng, phần trăm lượng CBN,

chất kết dính,..Khi hết tuổi bền các mảnh không thể mài lại như các dao thông

thường. Chúng được thay ra hoặc xoay đi dùng lưỡi cắt mới (với mảnh nhiều

lưỡi).

Các mảnh hợp kim CBN thường sử dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA,

DNMA, TNG,..Các mảnh hợp kim cương thường là CCMT, CPGM,..nói

chung hàm lượng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất. Người ta phân ra làm ba

loại, hàm lượng cao (nhiều hơn 90% CBN), trung bình ( khoảng 72% CBN)

và thấp (nhỏ hơn 60% CBN). Các mảnh có hàm lượng cao thường sử dụng

cho tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột,

gang và một số hợp kim đặc biệt.

So với các mảnh carbide thì các mảnh CBN có giá thành cao hơn đáng kể (

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

từ 4 - 5 lần), song dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều. Chi phí dao cụ

=3=

sẽ không là trở ngại khi đã loại bỏ công đoạn mài tinh. Nhiều xưởng sản xuất

còn nhận thấy việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô đã bù đắp

lượng chi phí cao hơn về dao.

Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với

thép rèn đã tôi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites. Việc hợp kim

stellites có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể

cả trong công việc sửa chữa. Vật liệu điển hình được tiện cứng là các thép

hợp kim qua tôi cứng.

Hình vẽ 2. Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

=4=

Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bị

mòn nhanh và hư hỏng. Thông thường chế độ cắt khuyến cáo là: với tiện tinh

độ cứng vật liệu từ 55 - 67HRC, V = 80 - 160 (m/ph), S = 0,04 - 0,08

(mm/vg); t = 0,1 - 0,5mm với tiện chính xác độ cứng vật liệu từ 45 - 60HRC, V= 120 - 180 (m/ph), S = 0,02 - 0,04 (mm/vg), t = 0,02 - 0,3mm [ ]1 .

mm01,0±

Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng, con lăn và trục bằng thép đã tôi sử

dụng chế độ cắt này. Họ có thể đạt dung sai kích thước đến hoặc

cao hơn nếu thời gian chế tạo lâu hơn và nhám bề mặt rất nhỏ. Ngoài ra giá

thành máy mài có thể đắt gấp 2-3 lần máy tiện. Trong nhiều phân xưởng hiện

nay họ đã thay thế tiện cứng cho mài truyền thống. Đồng thời khi sử dụng tiện

cứng thời gian chu kỳ và điều chỉnh ngắn hơn nhiều so với mài.

Qua đó có thể kết luận rằng, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công

tinh lần cuối đã mang lại những lợi ích sau:

- Giảm thời gian và chu kỳ gia công một sản phẩm.

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị.

- Tăng độ chính xác gia công.

- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn.

- Cho phép nâng cao tốc độ bóc tách vật liệu (từ 2 - 4 lần).

- Gia công được các contour phức tạp.

- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá.

- Có thể chọn gia công có hoặc không có dụng dich trơn nguội. Gia công khô

giảm chi phí gia công và không có chất thải ra môi trường.

Một lợi thế quan trọng nữa khi tiện cứng đó là việc tạo ra một lớp ứng

suất dư nén khi gia công, điều này đặc biệt có lợi với những chi tiết yêu cầu

độ bền mỏi cao. Điều này với mài lại là một bất lợi. Mặc dù vậy tiện cứng

cũng có những nhược điểm cần lưu ý như: do chủ yếu cắt khô nên nhiệt rất

cao, dụng cụ có lưỡi cắt đơn nên quá trình cắt không ổn định, chi phí dụng cụ

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

cắt cao, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằm

=5=

ngoài vùng cho phép (trục dài), khi chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới

hạn (tmin) thì quá trình cắt không thể thực hiện được.

Từ những năm 1970 các nghiên cứu đã tập trung vào hướng công nghệ

mới để đạt được các mục đích này. Nhưng phải đến những năm 1990, với sự

phát triển mạnh của các máy công cụ tiên tiến và vật liệu Nitrit Bor lập

phương thì tiện cứng mới được áp dụng rộng rãi trong chế tạo máy. Tiện cứng

đã thực sự trở thành công nghệ không thể thiếu trong việc gia công tinh các

chi tiết qua tôi cứng. Điều này góp phần không nhỏ cho quá trình lớn mạnh

của ngành chế tạo máy nói riêng và ngành công nghiệp nói chung.

2. Tính cấp thiết của đề tài

Qua phần giới thiệu về công nghệ tiện cứng có thể thấy rằng, việc nghiên

cứu về tiện cứng, phân tích các quá trình lý, hóa trong tiện cứng đã và đang

được quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các

trường đại học trên thế giới. Tuy nhiên từ những công bố trên các tạp chí khoa

học cho thấy các kết quả nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình tiện cứng

thép ổ lăn AISI 52100 (tiêu chuẩn Mỹ). Đồng thời các nghiên cứu này chưa

đề cập nhiều về vấn đề mòn và tuổi bền của các mảnh dao, đặc biệt với loại

thép 9XC, mặt khác việc ứng dụng công nghệ này ở nước ta còn mang nhiều

tính kinh nghiệm. Đưa ra được một lý thuyết góp phần cải thiện và nâng cao

hiệu quả sản xuất là một tất yếu của các nhà chuyên môn.

Ta lại biết rằng tiện cứng chủ yếu dùng trong gia công tinh, mảnh dao

thường có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của mảnh dao càng trở nên quan

trọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gian

máy,.. ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện cứng đến

mòn và tuổi bền mảnh dao là cần thiết đối với công đoạn gia công tinh. Đặc

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

biệt khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta. Việc

=6=

tìm ra một hàm số mô tả quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với một

khoảng giá trị độ cứng trên cơ sở đó sẽ tối ưu hoá được tuổi bền là vấn đề có

tính ứng dụng cao. Tác giả đã chọn loại vật liệu, chế độ cắt và độ cứng gia

công tại một xưởng sản xuất ở Thái Nguyên để làm cơ sở thực nghiệm.

Do vậy đề tài "Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao

gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi " là cần thiết và

có tính ứng dụng trực tiếp.

2.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tóm lược một lý thuyết cơ bản về gia

công cắt gọt nói chung, tiện cứng nói riêng và tìm ra cơ chế gây mòn các

mảnh dao PCBN, đồng thời xác định mối quan hệ giữa tuổi bền của mảnh dao

theo chế độ cắt (S,V,t) khi tiện tinh thép 9XC qua tôi đạt độ cứng 56-58 HRC.

Qua đó có thể đưa ra một bộ thông số chế độ cắt khi tiện cứng loại thép này

đạt tuổi bền cao nhất trong khi vẫn đạt chất lượng bề mặt yêu cầu.

2.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học, đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học và công

nghệ trong nước cũng như khu vực và thế giới.

Nghiên cứu và kiểm nghiệm các kết quả gần đây về cơ chế gây mòn dao

PCBN trong tiện cứng nói chung.

Xây dựng được quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt đến tuổi bền

khi tiện cứng dưới dạng hàm thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở

khoa học cho việc tối ưu hoá quá trình tiện. Đồng thời cũng góp phần đánh

giá chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi.

Về mặt thực tiễn sẽ áp dụng kết quả khi nghiên cứu thép 9XC vào một cơ

sở Sản xuất ở Thái Nguyên. Qua đó nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường

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

và thúc đẩy các nghiên cứu mới trên các khía cạnh khác nhau về tiện cứng.

=7=

2.3. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độ

cắt đến mòn và tuổi bền thông qua hàm thực nghiệm.

Đo nhám bề mặt theo từng điều kiện cắt nhằm xác định tuổi bền mảnh dao

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

theo chỉ tiêu mòn công nghệ.

=8=

Chương 1

BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH

CẮT THÉP CÓ ĐỘ CỨNG CAO

1.1. Quá trình cắt và tạo phoi

Qúa trình cắt kim loại là quá trì nh lấy đi một lớp phoi trên bề mặt gia

công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu.

Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động:

- Chuyển động cắt chính (chuyển động làm việc): với tiện đó là chuyển

động quay tròn của phôi.

- Chuyển động chạy dao: đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo

phoi liên tục trong suốt quá trình cắt. Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc

của dao khi tiện mặt trụ [1].

Khi cắt, để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để

tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị

gia công.

Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp

kim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy.

Nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của

công cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào

quá trình tạo phoi. (Hình vẽ 1.2)

a, b,

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

Hình vẽ 1.3. Sơ đồ miền tạo phoi

=9=

Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động, bao gồm:

* Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao được giới

hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi. Dưới tác dụng của lực tác

động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo. 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 (vùng AOE). Trong quá trình cắt, vùng phoi

một luôn di chuyển cùng với dao.

* Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao.

* Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao.

* Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi để hình thành

phoi.

Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ chức

hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như là không xảy ra. Quá

trình bóc tách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động.

Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số

của công cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt

vào quá trình tạo phoi.

Khi cắt do tác dụng của lực P (hình vẽ 1.3), dao bắt đầu nén vật liệu gia

công theo mặt trước. Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công

phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng

thái biến dạn g dẻo và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớp

kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao.

Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi

biến thành phoi, lớp cắt kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng

nhất định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng.

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

Khu vực này được gọi là miền tạo phoi (hình vẽ 1.4).

=10=

Hình vẽ 1.4. Miền tạo phoi

Trong miền này (như sơ đồ hoá hình vẽ 1.3) có những mặt trượt OA,

OB, OC, OD, OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt

có ứng suất tiếp có giá trị cực đại).

Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh

những biến dạng dẻo đầu tiên, và đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo

và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi.

Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi,

khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt

trước của dao.

Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hình

vẽ 1.3) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên. Mức độ biến

dạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài

ra theo một hướng nhất định, tạo thành têchtua.

Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều.

Mức độ biến dạng của phoi:

(1-1) Kf = Kbd + Kms

Ở đây: Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi.

Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước

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

của dao.

=11=

Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truy ền, do đó lớp kim loại nằm

phía dưới đường cắt ON (hình 1.3a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.

Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công

và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt,…)

Hình vẽ 1.6. Tính góc trượt θ Hình vẽ 1.5. Miền tạo phoi

ứng với tốc độ cắt khác nhau

Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi. Tăng

tốc độ cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thể được giải thích

như sau:

Khi tăng tốc độ cắt, vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với

tốc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với tốc độ lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ

đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra

theo đường OA mà chậm đi một thời gian - theo đường OA’ (hình vẽ 1.5).

Tương tự như vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là

đường OE’ chậm hơn so với OE.

Như vậy ở tốc độ cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’ ; A’OE’ quay đi một

góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so với

trước (a1’< a1) vì biến dạng dẻo giảm đi.

Khi tốc độ cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng của

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

nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến dạng

=12=

của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF. Do đó để cho đơn

giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắ t xảy ra

ngay trên mặt p hẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động của

dao một góc bằng θ.

Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc θ gọi là góc trượt.

Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng

dẻo trong miền tạo phoi.

Theo hình vẽ 1.5 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của

sin.

phoi là a1 ta có:

OC .

θ γθ − )

cos(

θ sin − γθ )

cos(

a a 1

(1-2)

Và do đó có thể tính θ theo công thức:

r . −

γ cos r sin.

(1-3)

= thì ta có công thức sau:

1 r

và nếu đặt

cos −

γ sin

(1- 4)

Như vậy góc trượt θ phụ thuộc vào γ và tỷ số K. Trong tiện cứng, quá

trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất phức tạp, chủ yếu do độ cứng

của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháp tốt nhất vẫn là sử dụng mảnh

dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt,… đặc biệt cao. Tiêu biểu cho nhóm này

là các mảnh CBN, PCBN,…

1.2. Lực cắt

1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt

Như đã trình bày ở trên, để thực hiện quá trình tạo phoi, khi cắt dụng cụ

phải tác động vào vật liệu gia công một lực nhất định. Lực này làm biến dạng

vật liệu và phoi được hình thành. Tuy nhiên dụng cụ cắt cũng chịu một phản

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

lực tương tự. Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý

=13=

nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Trong thực tế, những nhận thức về lực cắt

rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính toán và thiết kế máy

móc, thiết bị, v.v… Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt dụng cụ sẽ

bị mòn, bị phá huỷ. Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ thì phải

hiểu được quy luật tác động của lực cắt. Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần

phải biết lực cắt. Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác

hoá lý thuyết quá trình cắt. Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá

trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng. Điều đó có nghĩa là

một mặt lực cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại sự tách phoi, mặt khác lực

cắt do dụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [1], [7].

Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian

gia công thì lực cắt không phải là một hằng số. Lực cắt được biến đổi theo

quãng đường của dụng cụ. Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại.

Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi

tiết gia công. Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không

bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến

dạng phần tử khác [1], [7].

Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hình 1.7. Lực tổng hợp P

được phân tích thành ba thành phần lực bao gồm: lực tiếp tuyến Pz (hay Pc),

lực hướng kính Py (hay Pp) và lực chiều trục (lực ngược với hướng chuyển

động chạy dao) Px.

Hình vẽ 1.7. Hệ thống lực cắt khi tiện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

=14=

Thành phần lực P z là lực cắt chính. Giá trị của nó cần thiết để tính toán

công suất của chuyển động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết cơ cấu

chuyển động chính và của các chi tiết khác của máy công cụ.

Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết, ảnh hưởng

đến độ chính xác gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt.

Thành phần Px tác dụng ngược hướng chạy dao, nó dùng để tính độ bền

của chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu hao

của cơ cấu chạy dao.

P= P +P +P

Lực cắt tổng cộng được xác định:

2 z

2 x

2 y

(1-5)

Trường hợp tổng quát các thành phần lực này không thuần nhất. Trị số

của Pz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặt

trước của dao. Còn lại Px, Py phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực ma sát.

Bởi vậy các thành phần lực này thay đổi khi thay đổi vật liệu gia công, thông

số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt,...

1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện

1.2.2.1. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đối với tất cả các thành phần lực

cắt Px, Py và Pz ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt có thể tính

. StCP P

(1- 6) bằng công thức chung sau:

px ,

py phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, các

PC và các số mũ

Hệ số

thông số hình học của dao, dung dịch trơn nguội,...

Ví dụ công thức thực nghiệm xác định các thành phần lực cắt khi tiện

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

thép bằng dao hợp kim cứng:

−

4,0

5,0 . VStCP .. x x

−

9,0

3,0

= tCP .

6,0 VS . .

=15=

−

75,0

15,0

V .

StCP .. z

(1-7)

)

1.2.2.2. Ảnh hưởng của vật liệu gia công

P z

σ= ( f b

Trong thực nghiệm người ta tìm được thành phần qua các

= z CP V

q σ. B

công thức gần đúng sau:

= CP V

(1- 8)

Khi gia công thép có HB ≤ 170 lấy q= 0,35, HB > 170 lấy q= 0,75.

Với gang lấy q = 0,55. Nói cách khác, độ cứng và độ bền vật liệu gia công

'HB tương ứng

'P , còn

''HB tương ứng

''P

càng cao, lực cắt càng lớn. Quan hệ phụ thuộc này có thể được biểu thị bằng

công thức tỷ lệ, nếu

HB HB

P P

HB HB

  

  

ta có: hay (1-9)

'P khi gia công thép có

'HB .

Như vậy theo công thức trên có thể xác định lực cắt khi gia công thép có

''HB nếu biết lực cắt 1.2.2.3. Ảnh hưởng của góc nghiêng chính ϕ và bán kính đỉnh dao r Khi gia công gang nếu tăng góc ϕ, lực

zP giảm. Còn khi gia công thép lúc

050=ϕ

zP giảm, sau đó khi

zP lại tăng. Hiện tượng này là do đầu lực khi tăng ϕ làm bề rộng cắt b giảm và chiều dày cắt a tăng, mặc dù trong

thì lực

trường hợp này chiều sâu cắt và lượng chạy dao không thay đổi. Sự thay đổi

zP giảm. Hình vẽ 1.8

(thep

)

P zyx ), (, ) ( KG

(gang

)

của a và b làm lực cắt

0ϕ

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

Hình vẽ 1.8. Ảnh hưởng của góc ϕtới lực cắt

=16=

zP tăng.

Ngoài ra góc ϕ tăng còn do chiều dày của phần cong lưỡi cắt chính, làm

yP ,

xP được giải thích bằng tương quan

cho điều kiện cắt thêm phức tạp do vậy lực Ảnh hưởng của góc ϕ đến lực cắt

xP tăng,

090=ϕ

lực tác dụng trong mặt phẳng nằm ngang. Ta thấy khi ϕ tăng, lực

yP sẽ giảm. Trường hợp

0=yP

thì lực . còn

P zyx ), (, ) ( KG

Khi tăng bán kính đỉnh dao r làm điều kiện cắt thay đổi cũng như giảm góc nghiêng chính ϕ. Hình vẽ 1.9.

r(mm)

1,0.rCP z = z 25,0.rCP y = y . − 25,0 = rCP

Hình vẽ 1.9. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt

(1-10) Trong đó đường 1 có công thức đường 2 có công thức đường 3 có công thức

yP ,

zP tăng còn

xP giảm, trong đó

zP . Tuy nhiên trong

yP tăng mạnh hơn so với

Từ các công thức này ta thấy rằng, bán kính r tăng sẽ làm thành phần

gia công tinh người ta cố gắng chọn dao có r nhỏ để vừa giảm lực cắt đồng

thời tăng được chất lượng bề mặt gia công.

1.3. Nhiệt cắt

1.3.1. Khái niệm chung

Nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng

trực tiếp tới cơ chế tạo phoi, lẹo dao, hiện tượng co rút phoi, lực cắt và cấu

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

trúc tế vi lớp bề mặt. Đồng thời nhiệt cắt còn là nguyên chính gây mòn dụng

=17=

cụ cắt, ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dụng cụ, đặc biệt trong tiện cứng vì giá

thành các mảnh dao thường khá cao.

Nói chung sự toả nhiệt khi cắt là do có một công A (kG.m) sinh ra trong

quá trình hớt phoi. Nó xác định bởi công thức:

= AA 1

A 2

A 3

(1-11)

1A - công sinh ra làm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

2A - công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước dao

3A - công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao

trong đó:

z .= LPA

Ngoài ra công A có thể tính bởi công thức khác: (1-12)

zP - lực theo phương cắt chính (kG)

trong đó:

L - chiều dài cắt (m)

Trong tiện cứng ta thấy vật liệu phôi cứng hơn nhiều so với tiện thông

thường, vì vậy nhiệt sinh ra trong vùng cắt là rất lớn, để thoả mãn khả năng

chịu nhiệt này hàng loạt các loại vật liệu dụng cụ mới được ra đời, thông qua bảng 1.1.[ ]1 Bảng 1.1. Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt

Năm

Vật liệu dụng cụ

Vận tốc cắt

Độ cứng

Nhiệt độ giới hạn đặc tính cắt

(HRC)

(m/ph)

1894

Thép cacbon dụng cụ

(0C) 200-300

1900

Thép hợp kim dụng cụ

300-500

1900

Thép gió

1908

Thép gió cải tiến

15-20

500-600

60-64

1913

Thép gió (tăng Co và WC)

20-30

600-650

1931 Hợp kim cứng cácbit vonfram

200

1000-1200

1934 Hợp kim cứng WC và TiC

300

1000-1200

91-92

1955 Kim cương nhân tạo

800

100000HV

1957 Gốm

300-500

1500

92-94

100-200

1965 Nitrit Bo

1600

8000HV

(thép tôi)

1970 Hợp kim cứng phủ (TiC)

300

1600

18000HV

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

=18=

Ta thấy rằng phần vật liệu cứng trong dụng cụ cắt tăng lên, do đó tính

chịu mài mòn, tính chịu nhiệt tăng, tăng tuổi bền dụng cụ và do đó tăng được

tốc độ cắt.

Khả năng cắt của vật liệu Nitrit Bo trong bảng là rất cao và đang được

ứng dụng khá phổ biến trong gia công vật liệu có độ cứng cao cũng như trong

tiện cứng.

CBN

Vật liệu

Kim cương nhân tạo

Thông số

Cacbit Vonfram

Gốm sứ nhân tạo

Khối lượng riêng (g/cm3)

6.0-15.0

3.8-7.0

3.5-4.2

3.4-4.3

Độ cứng (HV 30)

1300-1700

1400-2400

4000-7000

3000-4500

Modul đàn hồi (GPa)

430-630

300-400

680-890

580-680

Giới hạn bền (Mpam1/2)

8-18

2-7

8.89

6.7

Độ bền nhiệt (°C)

800-1200

1300-1800

600

1500

Hệ số truyền nhiệt (W/mK)

100

30-40

560

40-200

Hệ số giãn nở vì nhiệt (10-6K-1)

5.0-7.5

7.4-9.0

0.8

3.6-4.9

Lớp phủ

TiN

TiCN

TiAlN

Diamond

Thông số

Độ cứng

2400

3500

3300

800

Khả năng dẫn nhiệt (kW/mK)

0,07

0,1

0,05

lớn

1.1022

nhỏ

Điệntrở

cmΩ−µ (

)

Hệ số ma sát

0,4

0,25

0,3

<500

<400

<800

5,2

4,93

5,1

3,5

/ cmg

Nhiệt sử dụng Mật độ (

( 0C ) )3

256

350

800

Mô đun đàn hồi E (

2mm

)

Màu

nâu

vàng

nâu xanh

đen

Bảng 1.2. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ

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

Bảng 1.3. Tính chất cơ - nhiệt của một số vật liệu dụng cụ phủ

=19=

Cụ thể Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN) được coi là vật liệu có

độ cứng cao nhất chỉ sau kim cương nhưng lại có độ bền nhiệt cao hơn kim cương (15000C) [25]. Bảng 1.1 và 1.2 thể hiện tính chất cơ - nhiệt của vật liệu

dụng cụ CBN so với một số loại vật liệu dụng cụ có tính năng cắt cao khác

(Cacbit Vonfram, gốm sứ nhân tạo và kim cương nhân tạo).

Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98% - 99% công suất cắt biến

thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt AB),

mặt trước (AC) và mặt sau (AD) như trên hình 1.10a.

Hình vẽ 1.10. (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt

(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại

Các nguồn nhiệt này truyền vào dao, phoi, phôi 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 [1], [6]. Thực tế vận tốc cắt là nhân tố ảnh hưởng lớn nhất

đến tỷ lệ này, khi cắt với vận tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi

(hình vẽ 1.10.b) [1].

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

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

(1-13) Q = Qmặt phẳng cắt + Qmặt trước + Qmặt sau

=20=

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

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

(1-14) Q = Qphoi + Qdao + Qphôi +Qmôi trường

Với lưu ý rằng tốc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi như không

Qdao

Qmôi trường

Qphôi

Qphoi

đáng kể trong tính toán khi môi trường cắt là không khí.

Hình vẽ 1.11. Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường

phụ thuộc vào vận tốc cắt [1]

Như vậy trong tiện cứng sử dụng dao PCBN do tốc độ cắt cho phép là rất

cao (thường từ 100÷220 m/phút) nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình chủ yếu

truyền vào phoi khoảng 68-85%, nhiệt cắt truyền vào dao là không đáng kể

(khoảng 10%) (hình 1.11). Điều đó đặc biệt có lợi cho quá trình gia công.

1.3.2. Quá trình phát sinh nhiệt

1.3.2.1. Nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất

Theo Trent thì phần lớn công suất sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất

biến thành nhiệt [5]. Tốc độ nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thể tính

gần đúng trên mặt phẳng cắt theo công thức:

Q k A V . AB S

dW dt

(1-15)

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

Trong đó:

=21=

- kAB là ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất

A = S

t b 1. Φ sin

- AS là diện tích của mặt phẳng cắt,

V S

V C

γ os c Φ γ c - ) os(

- VS là vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt

Tuy nhiên chỉ một phần nhiệt β.Q1 truyền vào phôi, phần còn lại (1-β)Q1

truyền vào thể tích AS.Vn của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ ∆T trong vùng biến

dạng thứ nhất. β có thể lớn đến 50% khi tốc độ thoát phoi thể tích thấp, vật

liệu cắt có hệ số dẫn nhiệt cao. Khi tốc độ thoát phoi thể tích cao thì β được

xác định bằng đồ thị thực nghiệm của Boothroyd thông qua hệ số nhi ệt

R T

c V t . . .c 1 k

như trên hình 1.12. Trong đó k t là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia

(

−

∆ = T

β )

công.

os F c C ρ .c.t

c γ - )

os(

. k V AB S ρ c V . . n

Φ -F sin ) os t Φ bc 1

(1-16)

Phần lớn nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất truyền vào phôi và

bị mang đi theo phoi mà không truyền vào dụng cụ do nhiệt độ trên mặt trước

cao hơn hẳn nhiệt độ trong vùng tạo phoi [5].

Hình vẽ 1.12. Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác định tỷ lệ nhiệt

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

(β) truyền vào phôi [5]

=22=

1.3.2.2. Nhiệt sinh trên mặt trước (QAC)

Qua các công trình nghiên cứu [5], [20], [22], [21] cho thấy rằng nhiệt

sinh ra trên mặt trước của dụng cụ do ma sát giữa phoi , mặt trước và biến

dạng dẻo của các lớp phoi sát mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra.

Theo Jun và Smith [23] thì nhiệt sinh ra trên mặt trước chỉ vào khoảng 20%

tổng số nhiệt sinh ra trong quá trình cắt, nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này

truyền vào dao và có ảnh hưởng quyết định đến tuổi bền của nó.

Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước và quy luật chuyển

động của lớp phoi dưới cùng còn có nhiều tranh cãi nên chưa có một công

thức duy nhất để tính tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước [3]. Ví dụ, theo Trent

thì nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà

biến dạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao của các lớp phoi gần mặt trước là

nguồn nhiệt chính sinh ra nhiệt độ cao trong dao [5]. Ông đã đưa ra công thức

)0,(

để tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi như sau:

π .

δγτ .2 . tms ρ . c

x . VK

2/1    

   

(1-17)

Nhưng Tay, Li và các đồng nghiệp lại cho rằng phần nhiệt sinh ra do ma

sát của phoi trên mặt trước là đáng kể và đưa ra các công thức tính tốc độ sinh

nhiệt riêng (q2) khác nhau dựa trên các mô hình khác nhau về mô hình ứng

suất và phân bố vận tốc của lớp phoi dưới cùng trên mặt trước [24], [21].

1.3.2.3. Nhiệt sinh trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công

(QAD)

Nhiệt sinh ra trên mặt sau của dụng cụ chỉ có ảnh hưởng đáng kể đến

nhiệt độ phát triển trong dao khi lượng mòn mặt sau đủ lớn. Do bề mặt mòn

mặt sau được coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp xúc coi như phân bố

đều. Haris đã xác định được quan hệ của ∆Fc và ∆Ft trong mặt cắt trực giao và

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

được đề cập trong công trình của Li như sau:

ave

VB t

ΔF c F c

F -F cf c F c

ave

=23=

VB t

ΔF t F t

F -F tf t F t

(1-18)

Hình vẽ 1.13. Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn

Trong đó: ∆Fc và ∆Ft là lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến với mặt sau, Fcf

và Ftf là lực cắt khi dao mòn, VBave là chiều cao mòn trung bình, t là chiều sâu

cắt (hình vẽ 1.13).

Hệ số ma sát trên mặt sau được xác định bằng công thức:

μ = f

K F c c . K F t t

(1-19)

Với Kc và Kt là các hệ số thực nghiệm.

Tốc độ sinh nhiệt q3 trên mặt sau là:

q =0,0671.V .F c

1 t.b

(1-20)

Nhiệt từ ba nguồn trên là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ trong dao, giảm

độ cứng nóng của vật liệu gia công vì thế xác định trường nhiệt độ trong dụng

cụ có ý nghĩa rất quan trọng. Có thể xác định trường nhiệt độ này bằng thực

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

nghiệm hoặc lý thuyết [3].

=24=

1.4. Kết luận

Quá trình cắt trong tiện cứng là tổng hợp của nhiều yếu tố công nghệ. Chủ

yếu do nhiệt cắt, lực cắt dẫn tới mòn dụng cụ nhanh chóng, ảnh hưởng tới

năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.

Để có thể đáp ứng được yêu cầu trên, lần lượt các vật liệu dụng cụ mới ra

đời như các dao thép gió, các mảnh HKC, kim cương nhân tạo, đặc biệt là

mảnh Nitrit Bo. Đặc trưng là các mảnh CBN, chúng làm cho quá trình vật lý

diễn ra trong quá trình cắt thép có độ cứng cao trở lên đơn giản hơn, thậm chí

hầu hết không cần tới dung dịch trơn nguội.

Vậy bản chất vật lý của tiện cứng không khác nhiều tiện thông thường.

Tuy nhiên người ta cố gắng chế tạo vật liệu dao, kết cấu mảnh, thông số hình

học,...phù hợp nhất để giải phóng càng nhiều nhiệt cắt khỏi vùng cắt càng có

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

lợi cho tiện cứng.

=25=

Chương 2

CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CỨNG

2.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt

Chất lượng bề mặt là tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt,

như hình dáng lớp bề mặt, trạng thái, tính chất cơ lý của lớp bề mặt và khả

năng phản ứng của chúng đối với môi trường làm việc.

Chất lượng chi tiết máy phụ thuộc vào phương pháp và điều kiện gia

công cụ thể. Chất lượng bề mặt là mục tiêu chủ yếu cần đạt ở bước gia công

tinh các bề mặt chi tiết máy.

Lớp bề mặt chi tiết máy khác với lớp lõi về cấu trúc kim loại, về tính chất

cắt gọt và trạng thái biến cứng. Nguyên nhân của hiện tượng này là do quá

trình biến dạng dẻo lớp bề mặt. Mức độ và chiều sâu biến cứng bề mặt phụ

thuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố này cũng ảnh hưởng tới lực cắt và nhiệt

cắt. Đối với các bề mặt chịu tải trọng lớn cần đặc biệt chú ý tới tính cơ lý của

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 các môi

trường khác và sự khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực

trên bề mặt so với bên trong. Sau đó 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.

Nhiều tính chất khối của vật liệu có quan hệ đến bề mặt ở mức độ khác

nhau. Thường các tính chất lý, hóa của các lớp bề mặt là quan trọng, tuy

nhiên các đặc trưng cơ học như độ c ứng và phân bố ứng suất trong lớp này

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

cũng cần được quan tâm [3].

=26=

2.2. 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 các 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 quang

trọng trong các ứng dụng khác nhau như: quang học, điện, nhiệt, 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 t ương

tác hoá học, lớp Beilbly, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối

cùng là lớp vật liệu nền [3].

Líp hÊp thô vËt lý (0,3÷3nm) Líp hÊp thô ho¸ häc (0,3nm) Líp ph¶n øng ho¸ häc (10÷100nm) Líp Beilbly (1÷100nm)

Líp biÕn d¹ng khèc liÖt (1÷10µm)

Líp biÕn d¹ng Ýt(1÷10µm)

VËt liÖu c¬ b¶n

Hình vẽ 2.1. Chi tiết bề mặt vật rắn

2.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt

2.3.1. 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 c ơ, các

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

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

=27=

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 thể ảnh hưởng tới sự

làm việc ổn định cũng như kích thước chi tiết.

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 - 100µm 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 [3].

2.3.2. Lớp Beilbly

Lớp Beilbly 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 Beilbly có cấu trúc vô định hình hoặc

đa tinh thể với chi ều dày từ 1 - 100µm. Các nguyên công gia công như mài

nghiền, đánh bóng có thể giảm chiều dày của lớp này.

2.3.3. Lớp tương tác hóa học

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

đều phản ứng với ôxy 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 hóa có thể tạo thành trong quá trình gia công cơ hay ma sát.

Nhiệt sinh ra trong các quá trình tạo hình hoặc ma sát làm tăng tốc độ ôxy hóa

và tạo nên nhiều loại ôxit khác nhau. Khi cặp đôi ma sát hoạt động trong

không khí phản ứng có thể xảy ra giữa các lớp ôxit của hai bề mặt. Sự tồn tại

của chất bôi trơn và chất phụ gia có thể tạo nên các lớp ôxits bảo vệ bề mặt

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

quan trọng.

=28=

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

thành ôxít sắt với hỗn hợp các ôxít Fe 3O4, Fe2O3 và lớp FeO trong cùng. Với

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

tác dụng bảo vệ không cho quá trình ôxy hóa tiếp tục xảy ra như trên bề mặt

của nhôm và titan.

2.3.4. Lớp hấp thụ hóa học

Bên ngoài lớp t ương 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 ÷

100 Kcal/mol). Năng lượng này phụ thuộc vào cả tính chất hoá học của bề

mặt vật rắn và các tính chất hấp thụ.

2.3.5. Lớp hấp thụ vật lý

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

tử hơi nước, oxy và hyđrô cacbon 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 ÷ 2 Kcal/mol) hơn nữa trong môi tr ường chân không cao (khoảng 10-8 Pa) lớp này không tồn tại trên các bề mặt các chất rắn.

Có bốn tiêu chuẩn để phân biệt lớp hấp thụ hoá học và vật lý là: lượng

nhiệt cần cho hấp thụ, khoảng nhiệt độ cần thiết cho hấp thụ, năng lượng hoạt

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

tính, tính chất và chiều dày của lớp hấp thụ.

=29=

2.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện cứng

2.4.1. Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá

2.4.1.1. Độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt hay còn gọi là nhấp nhô tế vi là tập hợp tất cả những bề

mặt lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trong một phạm vi chiều dài

chuẩn rất ngắn (l). Chiều dài chuẩn l là chiều dài dùng để đánh giá các thông

số của độ nhám bề mặt (với l = 0,01 đến 25mm).

Độ nhám bề mặt gia công đã được phóng đại lên nhiều lần thể hiện trên

hình 2.2.

Theo TCVN 2511 – 1995 thì nhám bề mặt được đánh giá thông qua bảy

chỉ tiêu. Thông thường người ta thường sử dụng hai chỉ tiêu đó là Ra và Rz,

trong đó:

Hình vẽ 2.2. Độ nhám bề mặt

- Ra: Sai lệch trung bình số học của prôfin là trung bình số học các giá

trị tuyệt đối của sai lệch prôfin (y) trong khoảng chiều dài chuẩn. Sai lệch

prôfin (y) là khoảng cách từ các điểm trên prôfin đến đường trung bình, đo

theo phương pháp tuyến với đường trung bình. Đường trung bình m là đường

chia prôfin bề mặt sao cho trong phạm vi chi ều dài chuẩn l tổng diện tích ở

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

hai phía của đường chuẩn bằng nhau. Ra được xác định bằng công thức:

=30=

R a

. y d x

y i

(2-1)

∫

1 l

1 = ∑ l = 1 i

- Rz: Chiều cao mấp mô prôfin theo mười điểm là trị số trung bình của

tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao năm đỉnh cao nhất và chiều sâu của

năm đáy thấp nhất của prôfin trong khoảng chiều dài chuẩn. Rz được xác định

pmi

y vmi

theo công thức:

∑

= 1

R z

(2-2)

Ngoài ra độ nhám bề mặt còn được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn

nhất Rmax. Chiều cao nhấp nhô Rmax là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và

thấp nhất của độ nhám (prôfin bề mặt trong giới hạn chiều dài chuẩn l).

Cũng theo TCVN 2511 – 1995 thì độ nhám bề mặt được chia thành 14 cấp,

từ cấp 1 đến cấp 14 ứng với các giá trị Ra và Rz. Trị số nhám càng bé thì bề mặt

càng nhẵn và ngược lại. Độ nhám bề mặt thấp nhất (hay độ nhẵn bề mặt cao

nhất) ứng với cấp 14 (tương ứng với Ra ≤ 0,01 µm và Rz ≤ 0,05 µm).

Việc chọn chỉ tiêu Ra hay Rz là tuỳ thuộc vào chất lượng yêu cầu của bề mặt. Chỉ

tiêu Ra được gọi là thông số ưu tiên và được sử dụng phổ biến nhất do nó cho

phép ta đánh giá chính xác hơn và thu ận lợi hơn những bề mặt có yêu cầu nhám

trung bình ( độ nhám từ cấp 6 đến cấp 12). Đối với những bề mặt có độ nhám quá

thô (độ nhám từ cấp 1 đến cấp 5) và rất tinh (cấp 13, cấp 14) thì dùng chỉ tiêu Rz

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

sẽ cho ta khả năng đánh giá chính xác hơn khi dùng Ra (bảng 2.1).

=31=

Loại

Thông số nhám (µm) Rz Ra

Chiều dài chuẩn (mm) 8,0

2,5

Cấp độ nhám bề mặt 1 2 3 4 5

0,8 7

0,25

0,08

- - - - - a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c - - - - - từ 2,5 đến 2,0 < 2,0 – 1,6 < 1,6 – 1,25 < 1,25 – 1,00 < 1,00 – 0,80 < 0,80 – 0,63 < 0,63 – 0,50 < 0,50 – 0,40 < 0,40 – 0,32 < 0,32 – 0,25 < 0,25 – 0,20 < 0,20 – 0,16 < 0,160 – 0,125 < 0,125 – 0,100 < 0,100 – 0,080 < 0,080 – 0,063 < 0,063 – 0,050 < 0,050 – 0,040 < 0,040 – 0,032 < 0,032 – 0,025 < 0,025 – 0,020 từ 320 đến 160 < 160 – 80 < 80 – 40 < 40 – 20 < 20 – 10 từ 0,100 đến 0,080 < 0,080 – 0,063 < 0,063 – 0,050 < 0,050 – 0,040 < 0,040 – 0,032 < 0,032 – 0,025

Bảng 2.1. Các giá trị Ra , Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp độ nhám bề mặt

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

=32=

Trong thực tế sản xuất nhiều khi ng ười ta đánh giá độ nhám theo các

mức độ: thô (cấp 1 ÷ 4), bán tinh (cấp 5 ÷ 7), tinh (cấp 8 ÷ 11) và siêu tinh

(cấp 12 ÷ 14).

Theo Bana [25], tiện cứng chính xác được cấp chính xác dung sai IT

thông thường là cấp 5 - 7, với độ nhám bề mặt là Rz = 2 - 4 µm. Trong điều

kiện gia công tốt thì cấp chính xác dung sai IT có thể đạt được là cấp 3 - 5, và

có thể đạt được độ nhám bề mặt Rz ≤ 1,5 µm.

2.4.1.2. Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt

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

a) 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.

b) Phương pháp đo độ nhám R a, Rz, Rmax v.v… bằng máy đo prôfin.

Phương pháp này sử dụng mũi dò để đo prô fin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn tới

cấp 11. Tuy nhiên đối với các bề mặt lỗ thường phải in bằng chất dẻo bề mặt

chi tiết rồi mới đo bản in trên các máy đo độ nhám bề mặt.

c) Phương pháp so sánh, có thể làm theo hai cách:

- So sánh bằng mắt: Trong các phân xưởng sản xuất người ta mang vật

mẫu so sánh với bề mặt gia công và kết luận xem bề mặt gia công đạt cấp độ

nhám nào. Tuy nhiên phương pháp này chỉ cho phép xác định được cấp độ

nhám từ cấp 3 đến cấp 7 và có độ chính xác thấp, phụ thuộc rất nhiều vào

kinh nghiệm của người thực hiện.

- So sánh bằng kính hiển vi quang học.

2.4.2. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ (cũng như sau tiện cứng)

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

2.4.2.1. Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt

=33=

Phương pháp gia công Mức độ biến cứng

Chiều sâu lớp biến cứng (µm) 30 ÷ 50 (%) 120 ÷ 150 Tiện thô

140 ÷ 180 Tiện tinh 20 ÷ 60

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

120 ÷ 140 Phay bằng dao phay trụ 40 ÷ 80

160 ÷ 170 Khoan và khoét 180 ÷ 200

150 ÷ 160 Doa 150 ÷ 200

150 ÷ 200 Chuốt 20 ÷75

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

120 ÷ 180 Cà răng 80 ÷ 100

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

160 ÷ 200 Mài tròn thép ít cacbon 30 ÷ 60

125 ÷ 130 20 ÷ 40 Mài tròn ngoài các thép sau nhiệt luyện

Mài phẳng 150 16 ÷ 25

Bảng 2.2. Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công cơ

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

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

lưỡi cắt. 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 bền, độ cứng, độ giòn được nâng cao, ngược lại tính dẻo dai lại

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

giảm, v.v… Kết quả là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi

=34=

rất cao. Mức độ biến cứng và chiều sâu của 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 của lớp bề mặt của các phương

pháp gia công khác nhau được thể hiện trong bảng 2.2.

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 Kevin Chou và Hui Song [16], [17] kết quả đều cho

)

0,45mm/vg; r = 0,8mm

Bằng thực nghiệm 0,3 mm/vg 0,45 mm/vg 0,6 mm/vg

Bằng mô hình nhiệt 0,3 mm/vg 0,45 mm/vg 0,6 mm/vg

0,45mm/vg; r = 1,6mm

m µ ( g n ứ c n ế i b p ớ l u â s u ề i h C

0,45mm/vg; r = 2,4mm

thấy chiều sâu của lớp biến cứng phụ thuộc vào bán kính mũi dao (hình 2.3).

Hình vẽ 2.3. Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với

các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chưa bị mòn) [16]

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

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

tăng bán kính mũ i dao do chiều dày lớp phoi không được cắt nhỏ. Tuy

=35=

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.

Đồng thời Kevin Chou và đồng nghiệp [16] cũng đã chứng tỏ chiều

sâu của lớp biến cứng phụ thuộc vào vận tốc cắt như đồ thị hình 2.4. Chiều

sâu lớp biến cứng tăng tỷ lệ theo vận tốc cắt. Với cùng vận tốc cắt (V = 2 ÷

4 m/s) thì dao bị mòn nhiều hơn sẽ tạo ra được lớp biến cứng có chiều dày

lớn hơn khá nhiều so với dao bị mòn ít. Tuy nhiên nếu vận tốc cắt quá lớn

)

VB = 110µm VB = 210µm VB = 300µm

m µ ( g n ứ c n ế i b p ớ l u â s u ề i h C

Vận tốc cắt (m/s)

lại làm giảm chiều sâu của lớp biến cứng.

Hình vẽ 2.4. Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với

các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện [16]

Bề mặt bị biến cứng có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết khoảng

20%, tăng độ chống mòn lên khoảng 2 đến 3 lần. Mức độ biến cứng và chiều

sâu của nó có khả năng hạn chế gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết.

Tuy nhiên bề mặt quá cứng lại làm giảm độ bền mỏi của chi tiết [1].

2.4.2.2. 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

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

trong cấu trúc kim loại. Quá trình này diễn ra phức tạp. Ứng suất dư lớp bề

=36=

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 cắt và dung dịch trơn nguội.

 Các nguyên nhân chủ yếu gây ra ứng suất dư là:

- 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 môđun đàn hồi của vật liệu giảm. Sau khi cắt, lớp vật liệu này sinh ra ứng

suất dư kéo do bị nguôi 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 k im 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 γ 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

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

nén còn vật liệu dẻo thường gây ứng suất dư kéo.

=37=

Ứng suất dư 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: độ bền mỏi của chi tiết được

làm từ thép khi trên bề mặt có ứng suất dư nén có thể tăng lên 50%, còn khi

có ứng suất dư kéo thì giảm 30%.

Qua nghiên cứu về tiện cứng (thép AISI 52100, 62HRC), của Patrik

Dahlman và các đồng nghiệp [17] đã chỉ ra rằng: thông số hình học của dụng

cụ cắt cũng như chế độ cắt đều ảnh hưởng đến ứng suất dư, cụ thể như sau:

- Góc trước ( γ< 0) của dụng cụ càng lớn thì sẽ tạo ra ứng suất dư nén

lớn (có lợi) trên bề mặt gia công. Nếu tăng góc trước thì vị trí của ứng suất dư

cực đại sẽ năm sâu hơn trong lớp bề mặt.

- Chiều sâu cắt không ảnh hưởng đến ứng suất dư.

- Tăng lượng chạy dao sẽ làm tăng ứng suất dư nén.

- Bằng cách điều khiển lượng chạy dao cũng như góc trước của dụng cụ

có thể khống chế được ứng suất dư trên bề mặt chi tiết gia công cả về trị số

cũng như chiều sâu của lớp chịu ứng suất.

- Tất cả các thí nghiệm đều cho thấy rằng ứng suất dư nén được sinh ra

dưới lớp bề mặt gia công.

Meng Liu và các đồng nghiệp [18] cũng cho rằng, bán kính mũi dao và

mòn dao có ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất dư trong tiện cứng. Các ông đã

có các kết luận như sau:

- Tăng bán kính mũi dao sẽ dẫn đến tăng lực cắt cũng như tỷ số của lực

cắt Py/Pz cũng như Px/Pz.

- Bán kính của mũi dao có ảnh hưởng mạnh đến ứng suất dư.

- Khi dụng cụ cắt bị mòn nhiều dẫn đến tăng cả ứng suất dư kéo cũng như

ứng suất dư nén, nhưng ứng suất dư nén thì tăng nhiều hơn. Sự phân bố ứng

suất dư do ảnh hưởng của bán kính mũi dao sẽ rõ ràng và mạnh hơn khi lượng

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

mòn của dao tăng. Hình 2.5 a,b,c.

=38=

Từ các đồ thị quan hệ dưới hình 2.5 ta nhận thấy quy luật biến thiên ứng

Chiều sâu phía dưới mặt gia công ( mµ )

suất dư lớp bề mặt là có luật tỷ lệ tương ứng.

a, Bán kính mũi dao r = 0,4 mm

b, Bán kính mũi dao r = 0,8 mm

c, Bán kính mũi dao r = 1,2 mm

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

Hình vẽ 2.5. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng suất dư lớp bề mặt

=39=

2.4.2.3. Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư

 Đánh giá mức độ và chiều sâu lớp biến cứng

Để đánh giá mức độ và chiều sâu lớp biến cứng người ta chuẩn bị một

mẫu kim cương 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

mẫu lực P, sau đó xác định diện tích bề mặt mẫu do đầu kim cương ấn xuống.

Độ biến cứng được xác định theo công thức:

P S

(2-3)

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 đầu đo kim cương ấn xuống (mm2).

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 đây:

1) Phương pháp tia Rơnghen: dùng tia Rơnghen kích thích trên bề mặt

mẫu một lớp dày 5 ÷ 10 µm 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).

2) Phương pháp tính toán lượng biến dạng: Sau khi hớt từng lớp mỏng

kim loại bằng phương phá p 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

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

ứng suất dư. Cũng có thể dùng tia Rơnghen để đo khoảng cách giữa các phần

=40=

tử trong lớp kim loại biến dạng và không biến dạng, với khoảng cách này có

thể xác định được ứng suất dư.

2.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng

2.5.1. Ảnh hưởng của các thông hình học của dụng cụ cắt

Đối với phương pháp tiện, qua thực nghiệm người ta đã xác định được

mối quan hệ giữa các thông số độ nhám Rz, lượng chạy dao S, bán kính mũi

dao r và chiều dày phoi nhỏ nhất hmin.

Sự hình thành độ nhám bề mặt khi gia công bằng các loại dao tiện khác

nhau được mô tả ở hình vẽ 2.6.

Ta thấy rằng rõ ràng hình dáng và giá trị của nhám bề mặt phụ thuộc vào

lượng chạy dao S1 và hình dáng của lưỡi cắt:

φ: khi φ tăng thì Rz tăng -

- φ1 : khi φ1 tăng thì Rz tăng

: khi r tăng thì Rz -

- : khi S tăng thì Rz tăng

Trêbưsép đã đưa ra công thức biểu thị mối quan hệ giữa Rz với S, r và

hmin như sau:

R z

S r 8

- Khi S > 0,15 mm/vòng: (2-4)

R z

min 2

S r 8

h min 2

. r h S

 + 1 

  

- Khi S < 0,1 mm/vòng: (2-5)

Ở đây hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r.

Tuy nhiên, khi lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì trị số của

. Vì thế khi tiện tinh nếu sử dụng S quá

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

nhỏ sẽ không có ý nghĩa cải thiện chất lượng bề mặt [4], [7], [1].

=41=

Hình vẽ 2.6. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới

độ nhám bề mặt

2.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt

z R

200

100

V(m/phút)

Tốc độ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhám bề mặt (hình vẽ 2.7).

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

Hình vẽ 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép

=42=

Theo tài liệu [4], khi cắt thép c ácbon (kim loại dẻo) ở tốc độ thấp, nhiệt

cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp kim loại không nhiều,

vì vậy độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng tốc độ cắt lên khoảng 15 ÷ 20 m/phút

thì nhiệt cắt và lực căt 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 dao 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 hủy, lực dính của lẹo

dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi (lẹo dao

bị biến mất ứng với tốc độ cắt trong khoảng 30 ÷ 60 m/phút). Với tốc độ c ắt

lớn (lớn hơn 60 m/phút) thì lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề

mặt gia công giảm.

Trong tiện cứng sử dụng mảnh PCBN thường gia công với tốc độ cắt 100

÷ 220 m/phút. Trong khoảng tốc độ cắt này thì lẹo dao rất khó có thể hình

thành vì thế tiện cứng cho phép giảm độ nhám bề mặt bằng cách tăng tốc độ

cắt.

2.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao

Lượng chạy dao ngoài ảnh hưởng mang tính chất hình học (như đã trình

bày ở mục 2.5.1) 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 2.8 biểu diễn mối

quan hệ giữa lượng chạy dao S với chiều cao nhấp nhô tế vi Rz khi gia công

thép cacbon.

Khi gia công với lượng chạy dao 0,02 ÷ 0,15 mm/vòng thì bề mặt gia

công có độ nhấp nhô tế vi giảm. Nếu S < 0,02 mm/vòng thì độ nhấp nhô tế vi

sẽ tăng lên (tức là độ nhẵn bóng sẽ 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

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

(mm/vòng) thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp

=43=

nhô tế vi đồng thời kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học làm tăng

z R

0 0,02

0,15

S (mm/vòng)

độ nhám bề mặt.

Hình vẽ 2.8. Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt

Để đảm bảo nhám bề mặt thấp và đạt năng suất gia công cao, đối với thép

các bon người ta thường chọn giá trị của lượng chạy dao S trong khoảng từ

0,05 đến 0,12 mm/vòng.

2.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt là không đáng kể. Tuy

nhiên nếu chiều sâu cắt quá lớn sẽ dẫn đến rung động trong quá trình cắt tăng,

do đó làm tăng độ nhám. 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. Hiện tượng gây trượt dao thường ứng với giá trị của chiều

sâu cắt trong khoảng 0,02 ÷ 0,03mm [4].

2.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Vật liệu gia công (hay tính gia công của vật liệu) ảnh hưởng đến độ nhám

bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo và dai (thép ít

cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho nhám bề mặt tăng hơn so với vật liệu

cứng và giòn [4].

Cấu trúc kim loại có độ hạt lớn sẽ làm tăng Rz, khi gia công cắt gọt các

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

vật liệu thường được ram hay thường hóa nhằm đạt cấu trúc hạt nhỏ, phân bố

=44=

đồng đều hơn. Vật liệu có cơ lý tính khác nhau, khi cắt sẽ có lực, nhiệt cắt, tác

động lý hoá khác nhau nên sẽ có Rz khác nhau.

Trong tiện cứng việc gia công với vận tốc cao và sử dụng mảnh Hợp kim

cứng, CBN,.. đồng thời tiện cứng chủ yếu để gia công tinh nên vấn đề độ

cứng không còn là trở ngại lớn. Tất nhiên lúc này người ta phải chọn chế độ

cắt thích hợp nhất cho các nguyên công.

2.5.6. Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ

Quá trình rung động trong 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 nhấp nhô tế vi trên chi tiết gia công. Sai lệch

của các bộ phận máy làm cho chuyển động của máy không ổn định, hệ thống

công nghệ sẽ có dao động cưỡng bức. Điều này có nghĩa là các bộ phận máy

làm việc sẽ có rung động với những tần số khác nhau gây ra sóng dọc và sóng

ngang trên bề mặt gia công với bước sóng khác nhau.

Tình trạng của máy có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt gia công. Do

vậy muốn đạt được độ nhám bề mặt gia công thấp trước hết cần phải đảm bảo

độ cứng vững cần thiết của hệ thống công nghệ [4], [1].

Các máy được khuyến cáo trong tiện cứng là các máy NC, CNC, vì thế

ảnh hưởng của rung động là không nhiều.

2.6. Kết luận

Chất lượng bề mặt khi tiện cứng bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như

trình trạng máy, dao, khả năng công nghệ, cơ tính vật liệu phôi và chế độ

cắt,...Tuy nhiên do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các máy NC và CNC,

các mảnh dao lắp ghép có độ bền, độ cứng, đồng thời khả năng chịu nhiệt đặc

biệt cao đã làm tính công nghệ trong tiện cứng giảm phần nào tính phức tạp.

Nhiệm vụ của các nhà chuyên môn là làm thế nào để chọn được một bộ

chế độ cắt thích hợp ứng với một khoảng độ cứng nhằm đạt tới hàm mục tiêu

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

đề ra.

=45=

Trong luận văn Tác giả nghiên cứu quan hệ mòn, tuổi bền của mảnh

CBN theo chế độ cắt để quy hoạch hàm tuổi bền, trên cơ sở đó tối ưu các

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

thông số trong quá trình công nghệ này.

=46=

Chương 3

MÒN VÀ TUỔI BỀN DỤNG CỤ KHI TIỆN CỨNG

3.1. Mòn dụng cụ cắt

3.1.1. Khái niệm chung

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 sự hao hụt 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 bằng

không mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn nói 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 là nguyên nhân mòn với tốc độ cao.

Mòn bao gồm các hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung

một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính - mỏi bề mặt -

va chạm - hoá ăn mòn và điện. Theo thống kê khoảng 2/3 mòn xảy ra trong

công nghiệp là do các cơ chế dính, trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác

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

là một hiện tượng xảy ra từ từ.

=47=

Trong thực tế, mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trường

hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợp với các

cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn. Phân tích bề mặt các

chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ chế mòn ở giai đoạn cuối.

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.

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. 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 chính là nhằm mục đích

làm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ [3].

3.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt

Theo Shaw mòn dụng cụ c ắt có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy

hóa và mỏi. Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt, tuy

nhiên tùy theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngoài

ra dụng cụ còn bị phá hủy do mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo.

Theo Loffer trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tố c cắt là nhân tố có

ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn phá hủy. Ở dải vận

tốc cắt thấp và trung bình, cơ chế mòn do dính và mòn do hạt mài chiếm ưu

thế cho cắt liên tục và gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hóa

lý trở lên chiếm ưu thế đối 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

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

chủ yếu dẫn đến vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục.

=48=

Hình vẽ 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b)

3.1.2.1. Mòn do dính

Khi hai bề mặt rắn, phẳng trượt so với nhau mòn do dính xảy ra tại chỗ

tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến. Khi sự

trượt xảy ra vật liệu ở vùng này bị trượt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối

tiếp hoặc tạo thành các mảnh mòn rời, một số mảnh mòn còn được sinh ra do

quá trình mòn do mỏi ở đỉnh các nhấp nhô. Giả thuyết đầu tiên về mòn do

trượt, sự trượt cắt có thể xảy ra ở bề mặt tiếp xúc chung hoặc về phía vùng

yếu nhất của hai vật liệu tại chỗ tiếp xúc.

Có giả thuyết, 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 dụng của ứng suất

nén và tiếp và 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 mạnh 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

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

bề mặt dụng cụ và cường độ dính của nó đối với bề mặt gia công. Cường độ

=49=

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 ÷ 13000C. Bản

chất phá hủy vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo và dòn. Độ cứng

của mặt 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.

3.1.2.2. 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.

Theo Loladze, 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 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. Armarego 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 [3].

3.1.2.3. 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 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 liên quan đến một cơ chế mòn khác đó là hiện tượng

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

mòn do khuếch tán, ôxy hoá hoặc sự phân rã hoá học của vật liệu dụng cụ ở

=50=

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 tốc 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 cacbon hơn so với phôi.

Điều đó chứng tỏ rằng cacbon từ cacbit volfram đã hợp kim hoá hoặc khuếch

tán vào phoi làm tăng thành phần cacbon của các lớp này.

Trent cho rằng do dính hiện tượng khuếch tán xảy ra qua mặt tiếp xúc

chung của dụng cụ và vật liệu gia công là hoàn toàn có khả năng. Dụng cụ bị

mòn do các nguyên tử cacbon và hợp kim khuếch tán vào phoi và bị cuốn đi.

Khuếch tán là một dạng của ăn mòn hoá học trên bề mặt dụng cụ nó phụ

thuộc vào tính linh động của các nguyên tố liên quan. Tốc độ mòn do khuếch

tán không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cao mà còn phụ thuộc và tốc độ của

dòng vật liệu gần bề mặt dụng cụ có tác dụng cuốn các nguyên tử vật liệu

dụng cụ đi.

Khi cắt thép và gang, Ekemar cho rằng tương tác giữa vật liệu gia công

và vật liệu dụng cụ có thể xảy ra. Thành phần chính của các lớp phoi tiếp xúc

với dụng cụ là austenite với thành phần cacbon thấp khi nhiệt độ vùng tiếp

xúc đủ cao. Austenite này hoà tan một số các nguyên tố hợp kim của dụng cụ

trong quá trình cắt.

3.1.2.4. 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 mòn thấp và các hạt mòn oxits 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 thì lớp màng oxit và các sản phẩm tương tác hoá học với môi trường

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

trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các

=51=

nhấp nhô. Khi đôi ma sát trượt làm việc trong môi trường chân không thì mòn

do dính xảy ra mạnh do lớp màng oxits không thể hình thành được.

 Thông qua nghiên cứu về các cơ chế mòn của dụng cụ cắt, đồng thời qua

hình vẽ 3.1a ta thấy rằng, trong tiện cứng (đó là quá trình cắt liên tục) sử dụng

mảnh PCBN do vận tốc cắt cao nên mòn dụng cụ xảy ra theo cơ chế mòn do

hạt mài là chủ yếu, ngoài ra dụng cụ còn bị mòn do khuếch tán, hoặc xảy ra

đồng thời với cả hai cơ chế và mòn do dính là không hoặc rất khó xảy ra vì

mòn do dính chỉ xảy ra khi gia công ở vận tốc cắt thấp.

3.1.3. Mòn dụng cụ cắt và cách xác định

3.1.3.1. Mòn dụng cụ cắt

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 dụng cụ.

Mòn là dạng hỏng cơ bản của dụng cụ cắt. Mòn dụng cụ là một quá trình

phức tạp, xảy ra theo hiện tượng lý hóa 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

(a)

(b)

(d)

(c)

hơn rất nhiều so với áp lực làm việc của chi tiết máy (khoảng 15 ÷ 20 lần) và dụng cụ bị mòn theo nhiều dạng khác nhau [1].

Hình vẽ 3.2. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện

Phần cắt dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mòn theo các dạng

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

=52=

- Mòn theo mặt sau, hình vẽ 3.2a

- Mòn theo mặt trước, hình vẽ 3.2b

- Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau, hình vẽ 3.2c

- Mòn tù lưỡi cắt, hình vẽ 3.2d

Mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng mòn thường gặp trong cắt kim loại.

Công thức của Opitz về quan hệ tương đối giữa dạng mòn dao hợp kim cứng

0,6

11<

(a) Mòn trơn mũi dao:

1V .t

< 11 V .t

(b) Mòn mặt trước tại lưỡi cắt:

0,6 1

< 17 V .t

0,6 1

a/2

0,6

30>

(d) Mòn mặt trước:

1V .t

0,6

(e) Biến dạng dẻo lưỡi cắt:

1V .t

với vận tốc cắt và chiều sâu cắt đã được Shaw đưa ra như trên hình vẽ 3.2.

0,6

Hình vẽ 3.3. Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với

1V .t

thể tích , trong đó V tính bằng m/ph; t1 tính bằng (mm/vg)

Loladze cho rằng cơ chế hình thành vùng mòn mặt trước của dao hợp

kim cứng khác so 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 đều có nguồn gốc do nhiệt.

Boothroyd cho rằng mòn mặt sau xảy ra do tương tác giữa mặt sau của

dụng cụ với bề mặt gia công và bề mặt mòn song song với phương của vận

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

tốc cắt. Trent cho rằng, mòn mặt sau xảy ra trong hầu hết các quá trình cắt

=53=

kim loại và không đều trên suốt chiều dài lưỡi cắt. Cơ chế mòn mặt sau của

dụng cụ hợp kim cứng ở tốc độ cắt thấp là sự tách ra của các hạt cacbit tạo

nên bề mặt mòn không bằng phẳng, khi cắt ở tốc độ cắt cao thì vùng mòn mặt

sau nhẵn và trơn.

Trong điều kiện hình thành lẹo dao, lượng mòn mặt sau tỷ lệ nghịch với

lượng mòn mặt trước. Khi mòn mặt trước xuất hiện sẽ làm tăng góc trước

thực, thúc đẩy sự hình thành và ổn định của lẹo dao có tác dụng bảo vệ mặt

sau khỏi bị mòn. Trái lại khi mòn mặt trước không xuất hiện, dạng của lẹo

dao sẽ thay đổi theo xu hướng không có tác dụng bảo vệ mặt sau khỏi mòn,

dẫn đến thúc đẩy sự phát triển của mòn mặt sau.

3.1.3.2. Cách xác định

Theo Doyle thì mòn mặt trước và mặt sau có thể tính toán gần đúng như

2 aveVB b tg 2

* Thể tích mòn mặt sau: (3-1)

Trong đó: VBave là chiều cao trung bình của vùng mòn

Hình vẽ 3.4. Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau –

)

ISO3685

− b KB KF KT 2 ( 3

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

(3-2) * Thể tích mòn mặt trước: cr V

=54=

Các kích thước dùng để xác định mòn chỉ ra trên hình vẽ 3.3 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 radiotracer (phương pháp đồng vị phóng xạ) để xác định.

3.1.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt

* Chỉ tiêu mòn tối ưu

Dấu hiệu dụng cụ cắt được xem là mòn thì được gọi là chỉ tiêu mòn. Nếu

nguyên công không có yêu cầu cao về độ chính xác, độ nhám bề mặt thì nên

dùng dụng cụ cho đến khi mòn đạt thời gian gia công lớn nhất, và độ mòn như

vậy gọi là mòn tối ưu.

Để khôi phục lại khả năng cắt của dụng cụ, phải mài lại. Mỗi loại dao có

một vùng mài lại riêng. Hình 3.5 cho thấy các lớp vật liệu dao được cắt trong

mỗi lần mài lại.

n =4

h

Hình vẽ 3.5. Vùng mài lại của dụng cụ cắt

Số lần mài lại cho phép n xác định bằng cách chia chiều dài vùng mài lại

( +

cho chiều dày của lớp vật liệu được cắt trong mỗi lần mài lại.

=Σ T

Do đó tổng tuổi bền của dụng cụ: phút (3-3)

Ở đây: T- tuổi bền của dụng cụ (phút)

n - số lần mài lại cho phép.

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

* Chỉ tiêu mòn công nghệ

=55=

Mòn công nghệ là hiện tượng mòn mà tại đó dụng cụ cắt bị ngừng sử

dụng do những hạn chế về công nghệ như: độ nhám bề mặt tăng, kích thước

gia công không chính xác, xuất hiện dao động của hệ thống công nghệ, chi

tiết bị nung nóng mạnh, dụng cụ cắt bị gẫy,...Chỉ tiêu này chủ yếu được dùng

để nghiên cứu dụng cụ cho gia công tinh. Trong luận văn Tác giả sử dụng

mòn công nghệ để xác định tuổi bền cho mảnh dao.

3.1.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng

Khi mảnh CBN bị mòn, dạng và thông số hình học phần cắt bị thay đổi

dẫn đến các hiện tượng vật lý, hoá học sinh ra trong quá trình cắt thay đổi

(như nhiệt cắt, lực cắt, ôxy hoá,…) và điều này sẽ ảnh hưởng xấu đến chất

lượng bề mặt gia công khi tiện cứng [26]. Hạn chế mòn nâng cao tuổi bền

mảnh dao trong tiện cứng là vấn đề luôn cần thiết ở mọi quá trình cắt gọt nói

chung.

3.1.5. Kết luận

Qua các nghiên cứu lý thuyết và bằng các thực nghiệm về xác định mòn

dụng cụ cắt trong tiện cứng sử dụng mảnh PCBN, người ta thấy rằng quy luật

mài mòn của dao CBN không hoàn toàn giống với quy luật mài mòn thông

thường. Do không có quá trình mài lại nên giai đoạn mòn ban đầu và mòn

bình thường diễn ra khá lâu, hầu hết trong thời gian sử dụng. Giai đoạn mòn

khốc liệt thường diễn ra nhanh chóng, thể hiện ngay trên bề mặt gia công hay

phần cắt bị mòn, phá huỷ.

3.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt

3.2.1. Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt

Tuổi bền của dụng cụ cắt 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) [1]. Tuổi

bền là nhân tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến năng suất và tính kinh tế trong

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

gia công cắt. Tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc vào chính yêu cầu kỹ thuật của

=56=

chi tiết gia công. Vì thế phương pháp dự đoán tuổi bền cơ bản có ý nghĩa cho

mục đích so sánh [3].

V.T

Phương trình cơ bản của tuổi bền là phương trình Taylor:

(3-4)

Trong đó:

- T là tuổi bền (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

n V.T .s .t

(S) và chiều sâu cắt (t) được viết như sau:

(3-5)

Các mô hình toán học khai triển bậc nhất và bậc hai loga của tuổi bền

dường như phù hợp hơn với các dữ liệu cho dao composite. Khác với các

phương trình tổng quát (3-4), (3-5) các mô hình toán học này hạn chế trong

một dải với các điều kiện dùng để tạo nên các dữ liệu thực nghiệm.

Trong trường hợp vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt được sử

LnT b

+ b ln V b ln S

dụng như là các thông số độc lập thì mô hình toán học bậc nhất có dạng:

b ln t 3

(3-6)

LnT b

+ b ln V b ln S

b ln t b (ln V )

b (ln S)

Mô hình bậc hai có dạng:

b (ln t)

b (ln V )(ln S) b (ln V )(ln t) b (ln S)(ln t)

(3-7)

Trong thực tế tuổi bền của dụng cụ thường bị phân tán vì các lý do sau

đây:

- Sự thay đổi của 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.

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

- Sự thay đổi của hệ thống công nghệ.

=57=

Ở chương 4, Tác giả sử dụng quy hoạch thực nghiệm nhằm tìm ra tuổi

bền T theo chế độ cắt (S,V,t). Nếu hàm mô tả có dạng (3-6) thì kết luận

Hàm hồi quy tương hợp với thực tế.

3.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng

3.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ cắt đến tuổi bền của dụng cụ cắt

Chế độ cắt, đặc biệt là vận tốc cắt và lượng chạy dao là tác nhân ảnh

hưởng mạnh nhất tới tuổi bền. Kết quả thí nghiệm của Opitz và Konig được

Trent đưa ra trên hình 3.4. Với mòn mặt trước quy luật mòn tương đối đơn

giản, mòn tăng chậm cho tới vận tốc cắt tới hạn mà tại đó tốc độ mòn tăng

vọt. Lượng chạy dao càng lớn thì vận tốc cắt giới hạn càng nhỏ. Với mòn mặt

sau tốc độ mòn cũng tăng nhanh từ vận tốc cắt và lượng chạy dao giới hạn

như mòn mặt trước vì từ tốc độ này các cơ chế mòn phụ thuộc nhiệt độ quyết

định tuổi bền. Tuy nhiên ở dưới dải tốc độ này tốc độ mòn mặt sau tăng, giảm

liên tục vì ở đây các cơ chế mòn không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Hình vẽ 3.5. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt sau của

dao thép gió S 12-1-4-5 dùng tiện thép AISI C1050, với t = 2mm. Thông số hình học của dụng cụ: α=80, γ=100, λ=40, χ=900, ε= 600, r=1mm, T =30

phút [3].

Tuổi bền cho mỗi cặp dụng cụ và vật liệu gia công được xác định trong dải

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

vận tốc cắt cao. Và đường cong Taylor của tuổi bền chỉ có ý nghĩa trong điều

=58=

kiện cắt ở dải vận tốc cắt cao, vì khi đó tuổi bền của dụng cụ bị chi phối bởi

các cơ chế mòn phụ thuộc nhiệt độ cao liên quan đến biến dạng, khuếch tán

và ôxy hoá.

)

( i

h T

í t ể

Các bộ thông số thí nghiệm

Bảng 3.1. Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và Thomas [27]

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

Hình vẽ 3.6. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được bóc tách [27]

) t ú h

(

ề b i ổ

u T

Các bộ thông số thí nghiệm

=59=

Hình vẽ 3.7. Tuổi bền dụng cụ tính bằng phút [27]

Trong tiện cứng với dao gắn mảnh CBN Dawson và Thomas đã thí

nghiệm với các bộ thông số khác nhau cho trong bảng 3.1. Kết quả cho thấy

rằng tuổi bền của dụng cụ tính theo khối lượng phoi bóc tách được thể hiện ở

hình vẽ 3.6 và tính theo phút được thể hiện trên hình v ẽ 3.7. Hai ông đã kết

luận vận tốc cắt có ảnh hưởng mạnh hơn so với lượng chạy dao đến tuổi bền

của dụng cụ. Vì thế để tăng tuổi bền của dụng cụ có thể giảm vận tốc cắt đồng

thời kết hợp tăng lượng chạy dao. Bởi năng suất cắt quan hệ tuyến tính với cả

vận tốc cắt và lượng chạy dao. Khi giảm vận tốc cắt đi một nửa đồng thời

tăng lượng chạy dao nên gấp đôi thì năng suất vẫn được duy trì [27].

Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến tuổi bền thông qua

các cơ chế mòn diễn ra ở chế độ cắt đã cho phụ thuộc nhiều hay ít vào nhiệt

độ. Do đó việc áp dụng công thức Taylor cần phải cân nhắc trong từng trường

hợp cụ thể [3].

3.2.2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học đến tuổi bền của dụng cụ cắt

Thông số hình học của dụng cụ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến tuổi bền

của dụng cụ, đặc biệt là góc trước γn. Nghiên cứu của Zhou, Walter và các

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

đồng nghiệp [26] khi tiện cứng thép ổ lăn 100Cr6 bằng dao gắn mảnh PCBN

=60=

cho thấy khi góc trước γn tăng dẫn đến tăng lực cắt, đồng thời góc trước γn có

)

m µ

)

ú h

(

u T

ề b i ổ

ư L

Góc trước γn (độ)

quan hệ với tuổi bền của dụng cụ như đồ thị hình 3.8.

Hình vẽ 3.8. Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và tuổi bền mảnh PCBN

với góc trước γn

Như vậy trong tiện cứng sử dụng dao gắn mảnh PCBN nên sử dụng dao có góc trước γ trong khoảng 10 ÷ 200, điều này sẽ có lợi là làm giảm lượng

mòn của dao cũng như tăng tuổi thọ của dụng cụ.

3.2.3. Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt

Nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố của quá trình căt đến tuổi bền T

bằng phương pháp thực nghiệm đo độ mòn cho phép mặt sau [hs]. 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.

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

Hình vẽ 3.9. Quan hệ giữa thời gian cắt, tốc độ cắt và độ mòn của dao

=61=

Quan hệ giữa tốc độ, độ mòn và thời gian được biểu thị trên hình vẽ 3.9.

Với độ mòn cho phép [hs] đã xác định được thời gian làm việc của dụng cụ

với các tốc độ khác nhau (t1 với V1; t2, t3 với V2, V3 với V1

t2, t3, t4 chính là tuổi bền T của dụng cụ ứng với tốc độ V 1, V2, V3, V4…) 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 ở hình vẽ 3.10 và chuyển sang đồ thị lôgarit ở hình vẽ

3.11.

Hình vẽ 3.10. Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao

−

A m T

Qua đồ thị quan hệ V-T ta thiết lập được công thức liên hệ giữa tốc độ và

tuổi bền:

− lg A lg T

A m T

⇒ (3-8) ⇒

mV T .

onst

A m V

⇒ (3-9)

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

Hình vẽ 3.11. Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit)

=62=

3.2.4. Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng

Khi nghiên cứu tuổi bền dụng cụ cắt trong tiện cứng do chủ yếu sử dụng

các mảnh HKC hay các mảnh CBN nên tuổi bền được xác định khá đơn giản.

Sau các lần cắt có thể dựa vào chỉ tiêu mòn công nghệ kết luận dụng cụ cắt đã

bị hỏng, không thể tiếp tục làm việc theo chất lượng yêu cầu, do vậy ta có

được tổng thời gian gia công tính bằng T(phút). Hoặc dựa vào chiều cao mòn

cho phép ở mặt sau dụng cụ để xác định tuổi bền. Trong thực tế điều này là

không khả thi vì sự phức tạp của nó, nên chỉ tiêu mòn công nghệ hay được

dùng hơn.

Ví dụ khi cắt thép có độ cứng từ 62-65 HRC, với một điều kiện cắt nhất ]27 . định, tuổi bền T thể hiện hình vẽ 3.7.[

Vấn đề ở đây là giải pháp nào có thể nâng cao tuổi bền trong điều kiện gia

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

công cụ thể, với một chế độ cắt cụ thể,..là nhiệm vụ của các nhà chuyên môn.

=63=

Chương 4

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MỐI QUAN HỆ GIỮA MÒN

VÀ TUỔI BỀN CỦA DAO GẮN MẢNH PCBN THEO CHẾ ĐỘ CẮT

KHI TIỆN TINH THÉP 9XC QUA TÔI

4.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm đóng một vai trò rất quan trọng trong nghiên

cứu. Chỉ có thực nghiệm mới cho ta kết quả chính xác để khẳng định chân lý

khoa học. Thực nghiệm được coi như một hệ thống có tác động nhằm thu

nhận những thông tin chính xác về đối tượng nghiên cứu.

Phương pháp thực nghiệm bao gồm một loạt các thí nghiệm được lặp lại

nhiều lần trong những điều kiện nhất định để có khả năng ghi nhận kết quả.

,..

Điều kiện thí nghiệm xác định bằng các yếu tố (hoặc các biến số không phụ

, xx 1

thuộc) , mà người ta giả thiết chúng ảnh hưởng tới đối tượng

nghiên cứu.

,..

Với kết quả của thí nghiệm, người ta có thể nhận được hàm số phụ thuộc y

, xx 1

đã giả thiết phụ thuộc vào các yếu tố . Qua đó cho phép ta xây dựng

hàm số quan hệ y = f(x) hay tìm ra các quy luật dựa vào những đồ thị dựng

được bằng thực nghiệm.

4.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm

4.2.1. Yêu cầu với hệ thống thí nghiệm

Trong nghiên cứu khoa học việc xây dựng hệ thống thí nghiệm cần đảm

bảo các yêu cầu kỹ thuật sau:

- Đáp ứng được yêu cầu của vấn đề lý thuyết cần nghiên cứu.

- Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định.

- Đảm bảo việc thu thập và xử lý các số liệu thí nghiệm thuận lợi.

- Đảm bảo tính khả thi.

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

- Đảm bảo tính kinh tế.

=64=

Hệ thống thí nghiệm được trình bày dưới đây nhằm phục vụ cho đề tài:

“Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao gắn mảnh PCBN

theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi”. Hệ thống thiết bị được đặt tại

Xưởng Cơ khí của thầy giáo ThS. Lê Viết Bảo - Khoa Cơ khí.

Hình vẽ 4.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm

4.2.2. Mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm đã sử dụng thể hiện trên hình vẽ 4.2

Lcắt 3 1 2

t n

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

Hình vẽ 4.2. Mô hình thí nghiệm

=65=

1. Mâm cặp

2. Chi tiết gia công

3. Mũi chống tâm

4. Dao

4.2.3. Thiết bị thí nghiệm

4.2.3.1. Máy

Sử dụng máy tiện CNC- HTC 2050 (Trung Quốc), hình vẽ 4.3

4.2.3.2. Dao

* Mảnh dao: mảnh dao PCBN: TPGN 160308 T2001, EB28X (hình vẽ 4.4)

Các thông số cơ bản (tra theo Catalog PCD/PCBN Cutting Tools của EHWA

Diamond Industrial Co., LTD)

γ = 110; λ = -110 (góc tạo thành khi đã gá mảnh lên thân dao)

L = 16 mm; I.C = 9,25 mm; T = 3,18 mm; R = 0,8 mm.

Hàm lượng CBN: 50%; chất dính kết TiC; cỡ hạt: 2µm.

(T- mảnh tam giác, P - góc sau 110, G - cấp dung sai của mảnh, N - kiểu cơ cấu bẻ phoi,

L=16mm, 03 ≈ chiều dày

18,3=

; R = 0,8mm)

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

Hình vẽ 4.3. Máy tiện CNC- HTC2050

=66=

mảnh dao PCBN

Hình vẽ 4.4. Mảnh dao TPGN, 160308 T2001

Hình vẽ 4.5. Thân dao MTENN 2020K16-N (hãng CANELA)

* Thân dao: sử dụng thân dao: MTENN 2020 K16 -N (hãng CANELA) (hình

vẽ 4.5).

4.2.3.3. Phôi

Thép hợp kim 9XC, L = 300mm, ∅62, tôi thể tích đạt độ cứng 56-58

HRC- (thực hiện tại Xưởng Cơ khí của thày giáo ThS. Lê Viết Bảo, thành

phần hoá học qua phân tích (tại Nhà máy Z159 - Thái Nguyên) được kết quả

như trong bảng 4.1.Cấu trúc tế vi theo hai phương dọc trục và vuông góc với

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

trục ở hình vẽ 4.6. cho thấy các hạt các bít (FeCr)3C có đường kính tới 3µm.

=67=

Phôi thép 9XC, L = 300mm

Hình vẽ 4.6. (a), Phôi thép 9XC qua tôi cứng, (b,c) Ảnh quang học cấu

trúc tế vi thép 9XC theo hai phương song song và vuông góc với trục

Bảng 4.1. Thành phần các nguyên tố hoá học thép 9XC

4.2.3.4. Chế độ cắt

Các bộ thông số V, S, t được lựa chọn, sử dụng tuỳ thuộc vào yêu cầu thí

nghiệm, đồng thời thay đổi theo mô hình nghiên cứu.

4.3. Thiết bị đo khác

4.3.1. Máy đo độ nhám bề mặt

Sử dụng máy đo độ nhám Mitutoyo SJ - 201 (Nhật Bản). Các thông số

kỹ thuật cơ bản:

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

- Hiển thị LCD. Tiêu chuẩn DIN, ISO, JIS, ANSI.

=68=

- Thông số đo được: Ra, Rz, Rt, Rq, Rp, Ry, Pc, S, Sm.

- Độ phân giải: 0,03µm/300µm; 0,08µm/75µm; 0,04µm/9,4µm.

- Bộ chuyển đổi A/D: RS232.

- Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu MSTATW324.0.

4.3.2. Kính hiển vi điện tử

Sử dụng kính hiển vi điện tử, TM-1000 Hitachi, Nhật Bản, có độ phóng

đại 10000 lần (Khoa vật lý Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên).

4.4. Thí nghiệm xác định quan hệ mòn của mảnh dao theo chế độ cắt

4.4.1. Quy trình tiến hành thí nghiệm

Máy, dao và mô hình thí nghiệm được thể hiện như ở trên. Chế độ cắt

được chọn sao cho phù hợp với công suất máy, điều kiện gia công tinh, khả

năng cắt của mảnh CBN và cố định trong tất cả các lần cắt. Nhằm tìm ra quy

luật mòn theo thời gian (chiều dài cắt), tác giả sử dụng chế độ cắt và số lần cắt

như Bảng 4.2.

Quá trình thí nghiệm tiến hành như sau:

- Làm sạch, lau khô bằng cồn và đánh số thứ tự các mảnh dao từ số 1 → số 5.

- Gá phôi vào chấu cặp sao cho đảm bảo độ đồng tâm cao (do quá trình tạo

)1(→ Gá mảnh dao số 1 vào thân dao trên máy, kẹp chặt, chọn điểm chuẩn

chuẩn thô trên máy khi tiện thô phôi thép về 60φ ).

phôi, dao và chế độ cắt trên màn hình điều khiển.

Thứ nhất cho dao chạy hết chiều dài ứng với một lần cắt L1 = 250mm. Dừng

máy tiến hành đo nhám bề mặt (chi tiết vẫn phải kẹp chặt trên chấu cặp). Ở

đây nhám được đo theo phương đường sinh và tại 3 vị trí khác nhau trên phôi,

lấy giá trị trung bình của 3 lần đo ta được trị số Ra, Rz. Tháo mảnh dao và

)2(→ Gá mảnh dao số 2 vào thân dao trên máy, quá trình lặp lại tương tự, chỉ

dùng dụng cụ gắp mảnh dao đặt vào vị trí đã đánh dấu trước đó.

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

khác số lần cắt tăng gấp 2 ứng với L2 = 500mm,..đo nhám tương tự lần 1.

=69=

.......

Cứ tiến hành theo quy luật này tới mảnh dao số 5 ta sẽ được các thông số

đặc trưng cho nhám và lập thành bảng sau:

Bảng 4.2. Chế độ cắt và các thông số nhám

4.4.2. Xử lý kết quả thí nghiệm

(

÷=i

)51

4.4.2.1. Xác định thời gian cắt cơ bản trong các lần cắt

(61,2

)

t 1

(09,10

)

iL . nS .

250 .1,0

1. 955

4.250 6,990.1,0

. iL . nS

250

(19,5

)

(36,12

)

t 5

2. 6,962

.1,0

iL . nS .

5. 1011

.1,0

. iL . nS i

(69,7

)

iL . nS .

3.250 4,974.1,0

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

Ứng với mỗi mảnh dao ta có thời gian cắt xác định như sau:

=70=

Sau khi tính toán lập được bảng dưới đây:

Bảng 4.3. Thời gian cắt và các thông số nhám

4.4.2.2. Xây dựng quan hệ giữa thông số nhám bề mặt với thời gian cắt

Lượng mòn mảnh dao tăng dần khi một thông số chất lượng bề mặt

giảm dần, thể hiện qua nhám Ra (Rz) tăng. Các hình ảnh về lượng mòn mặt

sau, mặt trước được chụp bằng kính hiển vi điện tử và xác định ở phần sau.

Bằng phần mềm Excel, lấy thông số trên bảng 4.3 ta xây dựng được đồ

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

thị sau:

]mµ [

Series1

=71=

z R

Series2

, a R

15 (t ) Phút

Hình vẽ 4.7. Đồ thị quan hệ giữa thời gian cắt và nhám Ra, Rz

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

4.4.2.3. Các hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử về mòn mảnh dao

=72=

1(a) 1(b)

1(c) 1(d)

1(e) 1(f)

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

Hình vẽ 4.8. 1(a,b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 sau 2,61 phút cắt; 1(c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 được phóng to với các vết biến dạng dẻo bề mặt;1(e) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1;1(f) Hình ảnh mặt sau mảnh số 1được phóng to.

2(b)

2(a)

2(d)

2(c)

3(a)

3(b)

3(c)

3(d)

=73=

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

Hình vẽ 4.9. 2(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 sau 5,19 phút cắt; 2(b,c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 được to;3(a,b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt; 3(c,d) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 3.

=74=

4(b) 4(a)

4(c) 4(d)

4(e) 4(f)

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

Hình vẽ 4.10. 4(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 sau 10,09 phút cắt; 4(b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 được to;4(c,d) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 ; 4(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt sau mảnh dao số 4 được phóng to.

=75=

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

Hình vẽ 4.11. 5(a) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 sau 12,36 phút cắt; 5(b,c) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 được to;5(d) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 5 ; 5(e,f) Hình ảnh mảng mòn mặt sau mảnh dao số 5 được phóng to;5(b) Hình ảnh cơ chế mòn mặt trước với sự bóc tách của lớp vật liệu dụng cụ.

=76=

5(a) 5(b)

5(c) 5(d)

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

5(e) 5(f)

=77=

1(a) 3(b)

4(c) 5(d)

Hình vẽ 4.12. 1(a) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1 sau 2,61 phút cắt; 3(b) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt;4(c) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 sau 10,09 phút cắt ; 5(d) Hình ảnh mảng mòn mặt sau mảnh dao số 5 sau 12,36 phút cắt.

4.4.2.4. Phân tích cơ chế mòn mảnh dao PCBN

Kết quả quan sát các mảnh dao trên kính hiển vi điện tử cho thấy (Phần

trên) chúng đều bị mòn cả mặt trước và mặt sau.

mµ10

Sau 2,61 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt 250 mm, dọc theo lưỡi cắt

. Trên chính xuất hiện vòng cung mòn (hình 1.d) với chiều rộng xấp xỉ

vùng mòn mặt trước này không nhìn thấy hình ảnh các hạt CBN như vùng

chưa bị mòn. Đấy là hình ảnh mòn vật liệu dòn theo cơ chế "biến dạng dẻo bề

mặt do hạt cứng cày trên bề mặt dưới tác dụng của ứng suất pháp rất lớn gây

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

ra" .

Hình vẽ 4.12. 1(a) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1 sau 2,61 phút cắt; 3(b)

=78=

Sau 5,19 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt là 500 mm, bản chất mòn

mµ10

trên mặt trước không thay đổi tuy chiều dài cung mòn trên lưỡi cắt chính tăng

lên nhưng bề rộng của vùng mòn vẫn giữ không đổi khoảng .(hình 2.d)

Sau 7,69 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt là 750 mm, vùng mòn trên

mµ10

luỡi cắt chính lan rộng gần tới đỉnh nhưng vẫn giữ nguyên bề rộng khoảng

(hình 3.b).

Sau 10,09 phút cắt, tương ứng với chiều dài cắt là 1000 mm, vùng mòn

mµ20

mặt trước phát triển đến cung tròn của lưỡi cắt và lúc này bề rộng vùng cắt đạt

tới .

Cuối cùng khi gian cắt đạt 12,36 phút, tương ứng với chiều dài cắt là 1250

mµ120

mm, hiện tượng mòn mặt trước thay đổi căn bản như (hình 5.a) với bề rộng

, không còn hiện tượng dính của VLGC trên bề mặt vùng mòn khoảng

vùng mòn mà chỉ có vùng mòn gồ ghề. Từ (hình 5.b) ta thấy rằng những

mảnh vật liệu dụng cụ bong ra khỏi bề mặt theo cơ chế mòn dính hoặc dính

kết hợp với mỏi.

Mòn mặt sau thể hiện trên hình vẽ 4.12; 1(a) sau 2,61 phút cắt; 3(b) sau

7,69 phút cắt; 4(c) sau 10,09 phút cắt và 5(d) sau 12,36 phút cắt. Kết quả quan

µ50≈ m

sát cho thấy, vùng mòn mặt sau phát triển chậm từ khi bắt đầu cắt tới 7,69

phút, đạt chiều cao mòn mặt sau với bề mặt khá bằng phẳng và

µ60≈ m

VLGC dính nhẹ trên bề mặt mòn sau. Sau 10,09 phút cắt thì chiều cao này

cũng chỉ đạt . Hình ảnh VLGC dính trên vùng mòn mặt sau thể hiện

ở hình 4(c). Tuy nhiên trên mặt sau lại xuất hiện hai mảng dạng vảy nằm ngay

phía dưới vùng giao của cạnh tự do của phoi khi thoát khỏi mặt trước với các

lưỡi cắt. Hình ảnh phóng to của khối bên trái trên hình 4(e).

Đến 12,36 phút gia công thì trên toàn mặt sau của dụng cụ bị biến dạng

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

theo một kiểu đặc biệt với các mảng VLDC dạng vảy, hình 5(e) và 5(d).

=79=

≈

µ750 m

VLDC bị dồn nén tạo các mảng vảy nhẵn, rộng với chiều cao vùng mòn mặt

sau và VLGC dính trên bề mặt mòn là không đáng kể.

4.4.2.5. Phân tích nhám bề mặt gia công

Kết quả đo nhám bề mặt gia công trong mặt phẳng đứng chứa đường tâm

của phôi và dọc theo một đường sinh của mặt trụ cho trong bảng 4.3. Giá trị

Ra sau 10,09 phút cắt tăng 23% so với sau khi cắt 7,69 phút và tương ứng là

sự gia tăng 15% giá trị Rz.

Sự tăng đột biến của độ nhám sau 10,09 phút cắt liên quan đến sự phát

triển của chiều rộng vùng mòn mặt trước đến 50% và chiều cao vùng mòn

mặt sau tới 20% với sự xuất hiện của hai mảng dạng vảy trên vùng mặt sau.

Đồ thị quan hệ giữa nhám bề mặt gia công với thời gian cắt thể hiện trên hình

vẽ 4.7.

4.4.2.6. Phân tích kết quả và thảo luận

Khi gia công bằng dao CBN hiện tượng biến dạng lưỡi cắt không xảy ra,

mòn mặt trước và mặt sau đồng thời tồn tại, vùng mòn mặt trước rất gần lưỡi

cắt. Trong nghiên cứu này, mòn xuất hiện trên cả hai mặt chỉ sau 2,61 phút

cắt. Tuy nhiên vùng mòn mặt trước không nằm gần lưỡi cắt mà phát triển từ

lưỡi cắt tạo thành bề mặt tương đối phẳng và phát triển dần theo hướng thoát

phoi như trên hình 2(a), 3(a) và 4(a). Trên vùng mòn nhiều hạt CBN bị tách

khỏi bề mặt do tương tác của VLGC làm yếu pha thứ hai của VLDC theo như kết quả nghiên cứu của Kenvin và đồng nghiệp [ ]5 , điểm khác biệt ở nghiên

cứu này là cơ chế mòn do khuếch tán kết hợp với cào xước do Polachon và ]32 đề xuất dường như không còn phù hợp với kết quả vừa tìm đồng nghiệp [

được. Hình ảnh các rãnh biến dạng dẻo bề mặt do các hạt cứng các bít

(FeCr)3C và các ôxít khác trong thép 9XC dưới tác dụng của ứng suất pháp

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

rất lớn ở vùng gần lưỡi cắt gây nên là cơ chế mòn trên mặt trước.

=80=

Sau thời gian cắt đủ lớn, khi mòn phát triển dần vào phía trong vùng mặt

trước theo hướng thoát phoi, ứng suất pháp giảm đi nhanh chóng, hiện tượng

dính trở nên phổ biến ở vùng phoi thoát khỏi mặt trước thì cơ chế mòn do mỏi

kết hợp với dính là nguyên nhân của mòn ở vùng này gây bóc tách từng mảnh

VLDC ra khỏi vùng bề mặt như trên hình 5(d). Đây chính là phát hiện mới về

cơ chế mòn mặt trước trong tiện tinh cứng. Hơn nữa từ hình 5(a) có thể thấy

khi mòn mặt trước phát triển trên hầu hết diện tích tiếp xúc giữa phoi và mặt

trước thì cơ chế mòn do bóc tách các mảnh vật liệu trở nên chiếm ưu thế, thay

cho cơ chế mòn do cào xước làm cho mòn mặt trước phát triển với tốc độ cao

hơn. Bề mặt vùng mòn trở nên gồ ghề và không nhẵn như bề mặt vùng mòn

mặt trước thông thường. Điều này có thể giải thích do cơ tính của PCBN ít bị

suy giảm bởi nhiệt độ cao trong vùng cắt, tuy nhiên tác dụng có chu kỳ của

các hạt cứng trong thép lên bề mặt kết hợp với dính đã làm cho bề mặt của

dụng cụ bị phá huỷ theo cơ chế dính mỏi kết hợp sau một thời gian gia công

nhất định.

Mòn mặt sau cũng phát triển theo quy luật thông thường trong cắt kim

loại cho đến 7,69 phút, hình 3(c,d). Cơ chế mòn mặt sau tương đối phù hợp

với kết quả nghiên cứu của Kenvin như trên hình 3(d). Nhưng sau 10,09 phút

gia công trên bề mặt sau lại xuất hiện hai mảng dạng vảy cục bộ, hình 4(c).

Đây là vùng tương ứng với các rãnh mòn sâu trên dụng cụ khi cắt các hợp ]33 , các rãnh mòn sâu trên mặt kim có nhiệt độ nóng chảy cao và theo Shaw [

trước và sau ở vùng này có liên quan đến tác dụng truyền nhiệt mạnh ở hai

bên rìa của phoi vào bề mặt dụng cụ cắt và đó là hiện tượng mòn phức tạp liên ]35 nhiệt độ cao kết hợp với biến cứng của phoi, quan đến nhiệt. Theo Trent [

tác dụng của ôxi trong môi trường cắt đã tạo nên các rãnh mòn sâu ở vùng

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

này trên dao tiện cácbít khi tiện thép.

=81=

Khi thời gian cắt tăng lên 12,36 phút các mảng dạng vảy này phát triển

trên toàn mặt sau và một số mảng bong ra tạo nên mòn. Đây cũng là một phát

hiện mới về cơ chế mòn mặt sau trong tiện tinh cứng.

Từ các kết quả đo nhám bề mặt nhận thấy rằng cho tới 7,69 phút cắt, Ra gần như không thay đổi Ra = 0,53 - 0,60 mµ , nhưng khi thời gian cắt đạt tới

10,09 phút có sự thay đổi đột ngột về nhám bề mặt, Ra tăng xấp xỉ 23%, sau

đó thay đổi không nhiều tới 12,36 phút cắt. Nhám bề mặt tăng nhanh khi mòn

mặt trước và mặt sau đạt tới một mức nào đó và sau đó giữ gần như không

đổi. Điều này có thể liên quan trực tiếp tới sự phát triển giới hạn bề rộng của vùng mòn trên mặt trước tới 20 mµ và sự xuất hiện các mảng dạng vảy trên

mặt sau như đã phân tích ở trên.

Có thể thấy rằng nếu như mòn trên mặt trước và sau phát triển theo cơ chế

khuếch tán, suy yếu pha thứ hai dẫn đến bóc tách các hạt CBN như các nghiên

cứu mới đây thì tuổi bền của các mảnh dao CBN có thể sẽ cao hơn nhiều lần

so với thực tế.

Hiện tượng bong từng mảng VLDC trên mặt trước, tạo thành dạng vảy và

bong VLDC ở mặt sau là nguyên nhân cơ bản rút ngắn tuổi bền của dụng cụ

cắt. Các cơ chớ mòn này có thể liên quan đến nhiệt, số chu kỳ cào xước của

hạt cứng trong VLGC đồng thời dính trên bề mặt tiếp xúc của mặt trước và

mặt sau cũng như sự kết hợp với tác dụng ôxi hoá từ môi trường.

4.4.2.7. Kết luận

Các kết quả của nghiên cứu cho thấy khi tiện tinh thép 9XC qua tôi cứng

bằng dao PCBN mòn xảy ra chủ yếu ở mặt trước và mặt sau. Giai đoạn đầu,

cơ chế mòn mặt trước chủ yếu là biến dạng dẻo do tác dụng cào xước của các

hạt cứng trong thép và sự tách ra khỏi bề mặt của các hạt CBN. Cơ chế mòn

mặt sau là quá trình bóc tách của các hạt CBN do pha thứ hai của VLGC bị

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

yếu đi khi tương tác với VLGC.

=82=

Ở giai đoạn sau, cơ chế mòn mặt trước là do mỏi dính với sự bóc tách của

từng mảng vật liệu trên mặt trước. Cơ chế mòn này có thể liên quan tới nhiệt,

số chu kỳ cào xước của hạt cứng và dính kết hợp với tác dụng ôxy hoá từ môi

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

trường tạo nên các mảng dạng vảy và bong ra khỏi mặt sau.

=83=

4.5. Nghiên cứu mối quan hệ giữa tuổi bền mảnh dao PCBN theo chế độ

cắt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi

4.5.1. Quá trình cắt thép 9XC bằng dao PCBN

Ta biết rằng cơ chế gia công trong tiện cứng là rất phức tạp và đặc biệt,

bởi lẽ nhiệt trong quá trình cắt chủ yếu truyền vào phoi (70 - 85%), tuy nhiên

sự thay đổi tính chất cơ lý của vật liệu gia công, cấu trúc lớp cắt, thông số

hình học phần cắt và các yếu tố khác đều có ảnh hưởng đến tuổi bền dụng cụ

cắt.

Vật liệu dụng cụ cắt không đồng nhất, phương pháp nhiệt luyện và cách

mài dao, bán kính đỉnh dao, sự thay đổi độ cứng vững có liên quan đến chế độ

hoạt động của máy - tất cả những yếu tố này có ảnh hưởng đến năng suất gia

công. Vì vậy cần có phương pháp nghiên cứu thích hợp tìm ra mức độ ảnh

hưởng của từng yếu tố. Trên cơ sở đó đưa ra giải pháp nâng cao tuổi bền dụng

cụ cắt, tức nâng cao năng suất gia công và hạ giá thành sản phẩm.

Mối quan hệ giữa các yếu tố được nghiên cứu bằng thực nghiệm với sự

thay đổi đồng thời nhiều yếu tố nhằm giảm thời gian và hạn chế các chi phí

phụ. Một trong những phương pháp đó là quy hoạch thực nghiệm. Dùng

phương pháp này có thể xác định được mô hình toán học mô tả mối quan hệ

giữa các yếu tố, đồng thời nếu dùng phần mềm có thể dễ dàng tối ưu hoá

được hàm số lựa chọn.

Trường hợp vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt được sử dụng

LnT b

+ b ln V b ln S

như là các thông số độc lập thì mô hình tuổi bền cho quá trình tiện có dạng:

b ln t 3

(4-1)

Các thí nghiệm được thực hiện trên cơ sở phân tích các yếu tố, có nghĩa

là cả 3 thông số V, S, t cùng đồng thời thay đổi. Ở đây ta cần xác định các hệ

p2 (p là số các yếu

bbbb , 1 3

số . Mỗi yếu tố thay đổi theo hai mức, tức là

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

tố thay đổi, p = 3).

LnT

ln;

=84=

xVy ln; 1

Đặt:

b 0

xb 11

xb 2

xb 33

(4-2) Ta nhận được hàm

4.5.2. Lựa chọn chế độ cắt cho nghiên cứu và tìm hàm quan hệ

Chú ý tới khả năng của máy, mảnh dao và điều kiện gia công tinh sử dụng

trong Xưởng thực nghiệm ta chọn được bộ thông số chế độ cắt như sau.

Bảng 4.4

Bảng 4.4. Bộ thông số chế độ cắt

Các mức biến đổi này được mã hoá nhờ các phương trình chuyển đổi để

mức cao tương ứng (+1), còn mức thấp tương ứng (-1);

x 1

− −

( ln2 ( ln

V 180

ln ln

Từ đó có hệ sau:

− −

( S ln2 ( 15,0ln

+ ) 1

( t ln2 ( 14,0ln

) 180 + ) 1 140 ) 15,0ln + ) 1 07,0ln ) − 14,0ln − 08,0ln

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

(4-3)

=85=

Để đơn giản hoá việc tính toán các thí nghiệm, người ta sử dụng khối lập

phương với gốc toạ độ nằm ở tâm của khối lập phương. Các điểm thí nghiệm

là các đỉnh khối lập phương (4 đỉnh là các vòng tròn to) và 2 thí nghiệm bổ

sung để kiểm tra tính đồng nhất các thí nghiệm (các thí nghiệm 9,10 ở tâm

khối lập phương). Nếu giả thiết về tính đồng nhất của các thí nghiệm không

được chấp nhận cần phải tiến hành thêm 6 thí nghiệm (4 ở đỉnh, 2 ở tâm).

Các thí nghiệm với chế độ cắt được ghi ở đỉnh và tâm khối lập phương.

Số liệu cho trong bảng 4.5.

V = 140 S = 0,15 t = 0,14

)(2 Sx

V = 180 S = 0,15 t = 0,14

V = 140 S = 0,15 t = 0,08

V = 180 S = 0,15 t = 0,08

)

V = 160 S = 0,11 t = 0,11

9 10 11 12

(1 Vx

V = 180 S = 0,07 t = 0,14

)(3 tx

V = 140 S = 0,07 t = 0,14

V = 140 S = 0,07 t = 0,08

V = 180 S = 0,07 t = 0,08

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

Hình vẽ 4.13. Quy hoạch thực nghiệm theo khối lập phương

=86=

Bảng 4.5. Ma trận thí nghiệm

Các phôi thí nghiệm được chọn là loạt chi tiết con lăn đang được sản xuất

hàng loạt tại Xưởng thực nghiệm, chiều dài l = 27,5 mm, Dmax= 49 mm, Dmin=

µ18,0 −

30 mm, độ cứng đạt 56-58 HRC, chỉ tiêu để xác định tuổi bền là theo chỉ tiêu

mòn công nghệ. Khi nhám bề mặt lớn hơn yêu cầu nhám khi tiện tinh ≥ Cấp 7b { thì dừng quá trình cắt và lấy tổng thời gian đã cắt làm

tuổi bền mảnh dao. Sau lần bù bán kính mũi dao đầu tiên, cứ sau một loạt 3

chi tiết tiến hành đo nhám chi tiết gia công để xác định thời điểm thay dao.

Trên cơ sở 6 thí nghiệm thứ nhất ta xác định các hệ số của phương trình

b 0

xb 11

xb 2

xb 33

bằng phương pháp cực tiểu. Ma trận của các

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

biến số x của 6 thí nghiệm thứ nhất được thể hiện trong bảng 4.6

=87=

−

) Min =

Bảng 4.6. Ma trận 6 thí nghiệm thứ nhất

xb 22

xb 33

xb 11

( −∑ by 0

Theo phương pháp cực tiểu thì tổng bình phương của các giá trị sai lệch y từ các sai lệch theo phương trình (4-2) phải nhỏ nhất, tức là: (4-4)

). Cực tiểu hàm số này được tính theo các phương trình sau: Vế trái của (4-4) được ký hiệu bằng các chữ f (hàm số của biến số bbbb , 1 3

∂ f ∂ b 0

∂ f ∂ b 1

∂ f ∂ b 2

∂ f ∂ b 3

(4-5)

Nb 0

b 1

x 1

b 2

b 3

Sau khi khai triển theo (4-5), biến đổi và rút gọn ta nhận được: x

∑

yx 1

= b 0

x 1

b 1

2 x 1

b 2

xx 21

b 3

xx 31

(4-6)

∑

= b 0

b 1

xx 21

b 2

2 2

b 3

xx 32

b 2

xx 32

= b 0

b 1

xx 31

b 3

2 3

∑ ∑ ∑

∑ ∑

∑ ∑ ∑ ∑

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

+ với N =6; Ở đây: b ∑=0

=88=

b 1

yx 1 2 x 1

b 2

2 2

b 3

3x = 4;

1x = ∑ 2

2x = ∑ 2

+ ; chú ý rằng: ∑ 2

∑= ∑ ∑= yx ∑ ∑= yx ∑ 2 3

−

(

)

(

b 1

xy 12

xy 13

xy 15

xy 18

1 4

Cách tính ib , ví dụ

(

)

( 83,2

08,4

14,4

48,2

00,3

09,3

27,3

=→ b 0

y 1

iy (i = 2-8) vào hệ trên nhận được: 1 6

−

−=

(

)

( 83,2

14,4

08,4

48,2

73,0

=→ b 1

1 4

−

−=

( −

)

( −

83,2

14,4

08,4

48,2

07,0

=→ b 2

−

−=

( −

)

( −

83,2

14,4

08,4

48,2

10,0

=→ b 3

1 6 1 4 1 4 1 4

1 4 1 4

−

Thay các trị số

73,0

LnT

1,0

x 1

−

ln81

52,40

x 1

− −

ln ln

ln63,21

Thay các hệ số trên vào (4.2) nhận được: 27,3 07,0 (4-7)

− −

ln57,31

04,8

)

(4-8)

−

Hệ (3) có thể viết dưới dạng: ) ( V 180 ln2 ) ( 140 180 ln ) ( 15,0ln S ln2 ) ( 07,0ln 15,0ln ) ( − t 14,0ln ln2 ( − 14,0ln 08,0ln

ln84,5

63,31

LnT

ln18,0

ln57,0

Cuối cùng thay (8) vào (7) nhận được: y (4-9)

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

Hàm (9) hoàn toàn tương hợp với mô hình toán học dạng logarit bậc nhất mà lý thuyết đã đưa ra. Vậy mối quan hệ giữa tuổi bền mảnh dao PCBN có quan hệ bậc nhất dạng logarít với chế độ cắt khi tiện cứng thép 9XC. Từ mô hình này ta có thể tối ưu hoá các thông số khác khá dễ dàng, bằng tính toán đại số hay phần mềm Matlap.

=89=

4.6. PHẦN KẾT LUẬN CHUNG VÀ H ƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP

THEO CỦA ĐỀ TÀI

4.6.1. Phần k ết luận chung

Qua nội dung đã thực hiện của Luận văn, tác giả rút ra được các kết luận

- Đánh giá tổng quan các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực tiện nói chung

và tiện cứng nói riêng trên các khía cạnh về lý, hoá, nhiệt, chất lượng bề

mặt, mòn và tuổi bền,...

- Giới thiệu các nguyên nhân gây mòn trong tiện cứng đồng thời kiểm

nghiệm và phát hiện những vấn đề mới về mòn mảnh dao CBN. Đặc biệt

với loại thép hợp kim điển hình ở Việt Nam là 9XC.

- Trên cơ sở nghiên cứu tìm được sẽ đề xuất các biện pháp c ông nghệ nâng

cao tuổi bền mảnh dao CBN, nâng cao hiệu quả trong gia công cắt gọt.

- Tìm được bản chất tương tác ma sát trên mặt trước của dụng cụ.

- Tìm được công thức biểu diễn quan hệ giữa chế độ cắt với tuổi bền mảnh

dao CBN thông qua hàm hồi quy thực nghiệm. Từ hàm này có thể tối ưu

hoá dễ dàng để đạt mục tiêu là T max.

- Ứng dụng trực tiếp vào một cơ sở sản xuất tại nơi làm thực nghiệm đề tài.

4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài chỉ dừng ở một chế độ công nghệ, một

kiểu mảnh dao, một loại vật liệu và khoảng độ cứng nhất định. Vì vậy cần

tiến hành thí nghiệm một cách tổng quan hơn để tìm ra các quy luật rộng

hơn trong cơ chế gây mòn mảnh CBN nói chung.

Hàm hồi quy tìm được là hàm logarit bậc một, có thể tối ưu nhằm đạt

được hàm mục tiêu yêu cầu. Tuy nhiên trong một điều kiện nhất định nào

đó tác giả vẫn khuyến cáo nên dùng hàm logarit bậc hai để nhận được các

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

ảnh hưởng tới tuổi bền toàn diện hơn.

=90=

Việc tối ưu hoá vấn đề nhiệt cắt, lực cắt, thông số hình học của dao và

đặc biệt là có nên hay không việc sử dụng biện pháp bôi trơn tối thiểu trong

vùng cắt khi tiện cứng ?

Những gợi mở trên giúp các nhà nghiên cứu có thêm nhiều dữ liệu để

kiểm tra, đánh giá và phát hiện mới về lĩnh vực tiện nói riêng và tiện cứng

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

nói chung.

Luận văn: Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o §¹i häc th¸i nguyªn Tr­êng ®¹i häc kü thuËt c«ng nghiÖp -------------------------------------------------------- trÇn ngäc giang Nghiªn cøu mèi quan hÖ gi÷a mßn vµ tuæi bÒn

cña dao g¾n m¶nh PCbn theo chÕ ®é c¾t

khi tiÖn thÐp 9xc qua t«i

Chuyªn ngµnh: C«ng nghÖ ChÕ t¹o m¸y LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Người hướng dẫn khoa học PGS.TS. Phan Quang ThÕ

LỜI CẢM ƠN

Mở đầu

Chương 1

''HB nếu biết lực cắt 1.2.2.3. Ảnh hưởng của góc nghiêng chính ϕ và bán kính đỉnh dao r Khi gia công gang nếu tăng góc ϕ, lực

Năm

Vật liệu dụng cụ

Vận tốc cắt

Độ cứng

Nhiệt độ giới hạn đặc tính cắt

(HRC)

(m/ph)

(0C) 200-300

100-200

1965 Nitrit Bo

1600

8000HV

(thép tôi)

CBN

Kim cương nhân tạo

Cacbit Vonfram

Gốm sứ nhân tạo

3.4-4.3

3000-4500

580-680

6.7

1500

40-200

3.6-4.9

Líp hÊp thô vËt lý (0,3÷3nm) Líp hÊp thô ho¸ häc (0,3nm) Líp ph¶n øng ho¸ häc (10÷100nm) Líp Beilbly (1÷100nm)

Líp biÕn d¹ng khèc liÖt (1÷10µm)

Líp biÕn d¹ng Ýt(1÷10µm)

VËt liÖu c¬ b¶n

Hình vẽ 2.2. Độ nhám bề mặt

∫

∑

∑

Bảng 2.1. Các giá trị Ra , Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp độ nhám bề mặt

h

L=16mm, 03 ≈ chiều dày

; R = 0,8mm)

mảnh dao PCBN

Phôi thép 9XC, L = 300mm

z R

, a R

V = 140 S = 0,15 t = 0,14

V = 180 S = 0,15 t = 0,14

V = 140 S = 0,15 t = 0,08

V = 180 S = 0,15 t = 0,08

V = 160 S = 0,11 t = 0,11

9 10 11 12

V = 180 S = 0,07 t = 0,14

V = 140 S = 0,07 t = 0,14

V = 140 S = 0,07 t = 0,08

V = 180 S = 0,07 t = 0,08

∑

∑

∑

∑

∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑

∑ ∑

∑ ∑ ∑ ∑

∑= ∑ ∑= yx ∑ ∑= yx ∑ 2 3

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o §¹i häc th¸i nguyªn Trêng ®¹i häc kü thuËt c«ng nghiÖp -------------------------------------------------------- trÇn ngäc giang Nghiªn cøu mèi quan hÖ gi÷a mßn vµ tuæi bÒn