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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 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 Trần Ngọc Giang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Lời nói đầu Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Trang Danh mục các hình vẽ và đồ thị Danh mục các bảng biểu Mở đầu 1 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 8 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 Chương 2 25 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 2.3.1. Lớp biến dạng 26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 Chương 3 46 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 3.1.2.2. Mòn do hạt mài 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 Chương 4 63 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 4.2.3.2. Dao 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi 82 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 4.6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 kt: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 Φ: góc tạo phoi γ mt: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước 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 hs: độ mòn giới hạn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 N: số thí nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 Hình vẽ 1.8. Ảnh hưởng của góc ϕ tới lực cắt 15 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 (b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại 19 Hình vẽ 1.11. Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường phụ thuộc vào vận tốc cắt 20 Hình vẽ 1.12. Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi 21 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 cứng với các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chua mòn) 34 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 35 Hình vẽ 2.5. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng suất dư lớp bề mặt 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình vẽ 2.6. Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới nhám bề mặt khi gia công thép 41 Hình vẽ 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép 41 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 liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b) 48 Hình vẽ 3.2. Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện 51 Hình vẽ 3.3. Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với thể tích 0,6c 1V .t 52 Hình vẽ 3.4. Các thông số đặc trưn g cho mòn mặt trước và mặt sau - ISO3685 53 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 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. 57 Hình vẽ 3.6. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được 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 PCBN với góc trước γn 60 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 Hình vẽ 4.3. Máy tiện CNC- HTC2050 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 học cấu trúc tế vi thép 9XC theo hai phương song song và vuông góc với trục 67 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 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. 72 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. 73 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. 74 Hìnhvẽ 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. 75 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. 76 Hình vẽ 4.13. Quy hoạch thực nghiệm theo khối lập phương 84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 Bảng 2.1. Các giá trị Ra, Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp độ nhám bề mặt 31 Bảng 2.2. Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công cơ 33 Bảng 3.1. Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và Thomas 58 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 Bảng 4.6. Ma trận 6 thí nghiệm thứ nhất 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 phù hợp. Các máy tiện NC, CNC được khuyến cáo thực hiện công việc này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =2= 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 ( từ 4 - 5 lần), song dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều. Chi phí dao cụ Hình vẽ 1. Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 =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 . 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 mm01,0± 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 cắt cao, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 biệt khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta. Việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 và thúc đẩy các nghiên cứu mới trên các khía cạnh khác nhau về tiện cứng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 theo chỉ tiêu mòn công nghệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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) Hình vẽ 1.3. Sơ đồ miền tạo phoi a, b, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 dạng 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. Khu vực này được gọi là miền tạo phoi (hình vẽ 1.4). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =10= 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: Kf = Kbd + Kms (1-1) 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 của dao. Hình vẽ 1.4. Miền tạo phoi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =11= Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, 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,…) 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 nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến dạng Hình vẽ 1.5. Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau Hình vẽ 1.6. Tính góc trượt θ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 phẳng 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 phoi là a1 ta có: )cos( sin )cos(. sin. 1 γθ θ γθ θ − = − == OC OC a ar (1-2) Và do đó có thể tính θ theo công thức: γ γθ sin.1 cos. r rtg − = (1-3) và nếu đặt r K 1= thì ta có công thức sau: γ γθ sin cos − = K tg (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 lực tương tự. Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 =14= Thành phần lực Pz 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. Lực cắt tổng cộng được xác định: 2 2 2x y zP= P +P +P (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 bằng công thức chung sau: pp yxP StCP ..= (1- 6) Hệ số PC và các số mũ px , py phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, các 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 thép bằng dao hợp kim cứng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =15= 4,05,0 ... −= VStCP xx 3,06,09,0 ... −= VStCP yy (1-7) 15,075,0 ... −= VStCP zz 1.2.2.2. Ảnh hưởng của vật liệu gia công Trong thực nghiệm người ta tìm được thành phần ),( HBfP bz σ= qua các công thức gần đúng sau: qBVz CP σ.= qVz HBCP .= (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 càng cao, lực cắt càng lớn. Quan hệ phụ thuộc này có thể được biểu thị bằng công thức tỷ lệ, nếu 'HB tương ứng 'P , còn ''HB tương ứng ''P ta có: q HB HB P P       = ' '' '' ' hay q HB HBPP       = ' '' ''' (1-9) Như vậy theo công thức trên có thể xác định lực cắt khi gia công thép có ''HB nếu biết lực cắt 'P khi gia công thép có 'HB . 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 đầu lực zP giảm, sau đó khi 050=ϕ thì lực zP lại tăng. Hiện tượng này là do khi tăng ϕ làm bề rộng cắt b giảm và chiều dày cắt a tăng, mặc dù trong trường hợp này chiều sâu cắt và lượng chạy dao không thay đổi. Sự thay đổi của a và b làm lực cắt zP giảm. Hình vẽ 1.8 )( ),(, KG P zyx 0ϕ )(thepPz )(gangPz xP yP o Hình vẽ 1.8. Ảnh hưởng của góc ϕ tới lực cắt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =16= Ngoài ra góc ϕ tăng còn do chiều dày của phần cong lưỡi cắt chính, làm cho điều kiện cắt thêm phức tạp do vậy lực zP tăng. Ảnh hưởng của góc ϕ đến lực cắt yP , xP được giải thích bằng tương quan lực tác dụng trong mặt phẳng nằm ngang. Ta thấy khi ϕ tăng, lực xP tăng, còn yP sẽ giảm. Trường hợp 090=ϕ thì lực 0=yP . Khi tăng bán kính đỉnh dao r làm điều kiện cắt thay đổi cũng như giảm góc nghiêng chính ϕ . Hình vẽ 1.9. Trong đó đường 1 có công thức 1,0.rCP zz = đường 2 có công thức 25,0.rCP yy = (1-10) đường 3 có công thức 25,0. −= rCP xx Từ các công thức này ta thấy rằng, bán kính r tăng sẽ làm thành phần yP , zP tăng còn xP giảm, trong đó yP tăng mạnh hơn so với zP . Tuy nhiên trong 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 trúc tế vi lớp bề mặt. Đồng thời nhiệt cắt còn là nguyên chính gây mòn dụng )( ),(, KG P zyx 3 1 2 o Hình vẽ 1.9. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt r(mm) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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: 321 AAAA ++= (1-11) trong đó: 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 Ngoài ra công A có thể tính bởi công thức khác: LPA z .= (1-12) trong đó: zP - lực theo phương cắt chính (kG) 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 (m/ph) Nhiệt độ giới hạn đặc tính cắt (0C) Độ cứng (HRC) 1894 Thép cacbon dụng cụ 5 200-300 60 1900 Thép hợp kim dụng cụ 8 300-500 60 1900 Thép gió 12 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 91 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 1965 Nitrit Bo 100-200 (thép tôi) 1600 8000HV 1970 Hợp kim cứng phủ (TiC) 300 1600 18000HV Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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. Cacbit Vonfram Gốm sứ nhân tạo CBN Kim cương nhân tạo Khối lượng riêng (g/cm3) 6.0-15.0 3.8-7.0 3.4-4.3 3.5-4.2 Độ cứng (HV 30) 1300-1700 1400-2400 3000-4500 4000-7000 Modul đàn hồi (GPa) 430-630 300-400 580-680 680-890 Giới hạn bền (Mpam1/2) 8-18 2-7 6.7 8.89 Độ bền nhiệt (°C) 800-1200 1300-1800 1500 600 Hệ số truyền nhiệt (W/mK) 100 30-40 40-200 560 Hệ số giãn nở vì nhiệt (10-6K-1) 5.0-7.5 7.4-9.0 3.6-4.9 0.8 TiN TiCN TiAlN Diamond Độ cứng 2400 3500 3300 800 Khả năng dẫn nhiệt (kW/mK) 0,07 0,1 0,05 lớn Điệntrở )( cmΩ−µ 25 68 1.1022 nhỏ Hệ số ma sát 0,4 0,25 0,3 Nhiệt sử dụng )(0C <500 <400 <800 Mật độ ( )3/ cmg 5,2 4,93 5,1 3,5 Mô đun đàn hồi E ( )/ 2mmkN 256 350 - 800 Màu vàng nâu xanh đen nâu Bảng 1.2. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ Lớp phủ Thông số Bảng 1.3. Tính chất cơ - nhiệt của một số vật liệu dụng cụ phủ Vật liệu Thông số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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. 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: Q = Qmặt phẳng cắt + Qmặt trước + Qmặt sau (1-13) Hình vẽ 1.10. (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt (b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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: Q = Qphoi + Qdao + Qphôi +Qmôi trường (1-14) Với lưu ý rằng tốc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi như không đáng kể trong tính toán khi môi trường cắt là không khí. 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: 1 . .AB S S dW Q k A V dt = = (1-15) Trong đó: Qphoi Qphôi Qdao Qmôi trường Hình vẽ 1.11. Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường phụ thuộc vào vận tốc cắt [1] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =21= - kAB là ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất - AS là diện tích của mặt phẳng cắt, 1 . sinS t bA = Φ - VS là vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt os os( - )S C cV V c γ γ = Φ 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 1. . .c T t cV tR k ρ = như trên hình 1.12. Trong đó k t là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công. t 1 . ( os -F sin ) os(1 ) (1 ) . . .c.t os( - ) AB S C n k V F c cT cV bc γ β β ρ ρ γ Φ Φ ∆ = − = − Φ (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 (β) truyền vào phôi [5] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 để tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi như sau: 2/1 ... ..2)0,(        = p tms VK x c xT πρ δγτ (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 được đề cập trong công trình của Li như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =23= c cf c avec c c ΔF F -F VB= =K F F t t tf t avet t t ΔF F -F VB= =K F 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: c cf t t K F μ = . K F (1-19) Với Kc và Kt là các hệ số thực nghiệm. Tốc độ sinh nhiệt q3 trên mặt sau là: 3 c c 1q =0,0671.V .F 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 nghiệm hoặc lý thuyết [3]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 lợi cho tiện cứng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 cũng cần được quan tâm [3]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 tương tác hoá học, lớp Beilbly, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là lớp vật liệu nền [3]. 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 lớp bề mặt dưới tác động của lực và nhiệt độ sẽ bị biến dạng dẻo, lớp biến 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 quan trọng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 Fe3O4, 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 tương tác hoá học, các lớp hấp thụ có thể hình thành trên cả bề mặt kim loại và á kim. Lớp hấp thụ hoá học được hình thành trên cơ sở sử dụng chung các electrons, hoặc trao đổi các electrons giữa các lớp hấp thụ và bề mặt vật rắn. Trong lớp này tồn tại liên kết rất mạnh giữa bề mặt chất rắn và chất hấp thụ thông qua liên kết cộng hoá trị, vì thế để làm sạch lớp này cần có một năng lượng tương ứng với năng lượng tạo nên liên kết hoá học (10 ÷ 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 tính, tính chất và chiều dày của lớp hấp thụ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 hai phía của đường chuẩn bằng nhau. Ra được xác định bằng công thức: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =30= 10 1 1. l n a x x i i R y d y l l = = = ∑∫ (2-1) - 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 theo công thức: 5 5 1 1 5 pmi vmi i i z y y R = = + = ∑ ∑ (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 sẽ cho ta khả năng đánh giá chính xác hơn khi dùng Ra (bảng 2.1). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =31= Cấp độ nhám bề mặt Loại Thông số nhám (µm) Chiều dài chuẩn (mm) Ra Rz 1 - - từ 320 đến 160 8,0 2 - - < 160 – 80 3 - - < 80 – 40 4 - - < 40 – 20 2,5 5 - - < 20 – 10 6 a từ 2,5 đến 2,0 0,8 b < 2,0 – 1,6 c < 1,6 – 1,25 7 a < 1,25 – 1,00 b < 1,00 – 0,80 c < 0,80 – 0,63 8 a < 0,63 – 0,50 b < 0,50 – 0,40 c < 0,40 – 0,32 9 a < 0,32 – 0,25 0,25 b < 0,25 – 0,20 c < 0,20 – 0,16 10 a < 0,160 – 0,125 b < 0,125 – 0,100 c < 0,100 – 0,080 11 a < 0,080 – 0,063 b < 0,063 – 0,050 c < 0,050 – 0,040 12 a < 0,040 – 0,032 b < 0,032 – 0,025 c < 0,025 – 0,020 13 a từ 0,100 đến 0,080 0,08 b < 0,080 – 0,063 c < 0,063 – 0,050 14 a < 0,050 – 0,040 b < 0,040 – 0,032 c < 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 =32= Trong thực tế sản xuất nhiều khi người 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) 2.4.2.1. Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =33= Phương pháp gia công Mức độ biến cứng (%) Chiều sâu lớp biến cứng (µm) Tiện thô 120 ÷ 150 30 ÷ 50 Tiện tinh 140 ÷ 180 20 ÷ 60 Phay bằng dao phay mặt đầu 140 ÷ 160 40 ÷ 100 Phay bằng dao phay trụ 120 ÷ 140 40 ÷ 80 Khoan và khoét 160 ÷ 170 180 ÷ 200 Doa 150 ÷ 160 150 ÷ 200 Chuốt 150 ÷ 200 20 ÷75 Phay lăn răng và xọc răng 160 ÷ 200 120 ÷ 200 Cà răng 120 ÷ 180 80 ÷ 100 Mài tròn thép chưa nhiệt luyện 140 ÷ 160 30 ÷ 60 Mài tròn thép ít cacbon 160 ÷ 200 30 ÷ 60 Mài tròn ngoài các thép sau nhiệt luyện 125 ÷ 130 20 ÷ 40 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 giảm, v.v… Kết quả là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 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 tăng bán kính mũ i dao do chiều dày lớp phoi không được cắt nhỏ. Tuy 0,45mm/vg; r = 0,8mm 0,45mm/vg; r = 2,4mm 0,45mm/vg; r = 1,6mm Bằng mô hình nhiệt 0,3 mm/vg 0,45 mm/vg 0,6 mm/vg C hi ều sâ u lớ p bi ến c ứn g (µ m ) Bằng thực nghiệm 0,3 mm/vg 0,45 mm/vg 0,6 mm/vg Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 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 trong cấu trúc kim loại. Quá trình này diễn ra phức tạp. Ứng suất dư lớp bề VB = 110µm VB = 210µm VB = 300µm C hi ều sâ u lớ p bi ến c ứn g (µ m ) Vận tốc cắt (m/s) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 nén còn vật liệu dẻo thường gây ứng suất dư kéo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 mòn của dao tăng. Hình 2.5 a,b,c. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =38= Từ các đồ thị quan hệ dưới hình 2.5 ta nhận thấy quy luật biến thiên ứng 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 Chiều sâu phía dưới mặt gia công ( mµ ) Chiều sâu phía dưới mặt gia công ( mµ ) Hình vẽ 2.5. Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng suất dư lớp bề mặt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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: V PH 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 pháp hoá học và điện cơ khí ta tính toán khối lượng biến dạng của chi tiết mẫu. Dựa vào lượng biến dạng này ta xác định được ứng suất dư. Cũng có thể dùng tia Rơnghen để đo khoảng cách giữa các phần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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: - Khi S > 0,15 mm/vòng: 2 8z SR r = (2-4) - Khi S < 0,1 mm/vòng: 2 min min 2 .1 8 2z S h r hR r S  = + +    (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 Rz . Vì thế khi tiện tinh nếu sử dụng S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa cải thiện chất lượng bề mặt [4], [7], [1]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =41= 0 V(m/phút) R z 20 100 200 1 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 Tốc độ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhám bề mặt (hình vẽ 2.7). Hình vẽ 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 cắt 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 (mm/vòng) thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =43= nhô tế vi đồng thời kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học làm tăng 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 vật liệu thường được ram hay thường hóa nhằm đạt cấu trúc hạt nhỏ, phân bố S (mm/vòng) R z 0 0,02 0,15 A B C Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 đề ra. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 thông số trong quá trình công nghệ này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 là một hiện tượng xảy ra từ từ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 tốc 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 chủ yếu dẫn đến vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 bề mặt dụng cụ và cường độ dính của nó đối với bề mặt gia công. Cường độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 mòn do khuếch tán, ôxy hoá hoặc sự phân rã hoá học của vật liệu dụng cụ ở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 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 sau: (a) (b) (c) (d) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 với vận tốc cắt và chiều sâu cắt đã được Shaw đưa ra như trên hình vẽ 3.2. Hình vẽ 3.3. Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với thể tích 0,6c 1V .t , 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 tốc cắt. Trent cho rằng, mòn mặt sau xảy ra trong hầu hết các quá trình cắt a a/2 w w d (a) Mòn trơn mũi dao: 0,6c 1V .t 11< (b) Mòn mặt trước tại lưỡi cắt: 0,6c 111 V .t 17< < (c) Mòn mặt sau: 0,6c 117 V .t 30< < (d) Mòn mặt trước: 0,6c 1V .t 30> (e) Biến dạng dẻo lưỡi cắt: 0,6c 1V .t 30>> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 sau: * Thể tích mòn mặt sau: 2 W . 2 aveVB b tgV α= (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 * Thể tích mòn mặt trước: cr 2 ( ) 3 b KB KF KTV −= (3-2) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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. 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. Do đó tổng tuổi bền của dụng cụ: )1( +=Σ nTT phút (3-3) Ở đây: T- tuổi bền của dụng cụ (phút) n - số lần mài lại cho phép. * Chỉ tiêu mòn công nghệ Hình vẽ 3.5. Vùng mài lại của dụng cụ cắt h n =4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 gia công cắt. Tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc vào chính yêu cầu kỹ thuật của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =56= chi tiết gia công. Vì thế phương pháp dự đoán tuổi bền cơ bản có ý nghĩa cho mục đích so sánh [3]. Phương trình cơ bản của tuổi bền là phương trình Taylor: n tV.T C= (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 (S) và chiều sâu cắt (t) được viết như sau: n a b tV.T .s .t K= (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 dụng như là các thông số độc lập thì mô hình toán học bậc nhất có dạng: 0 1 2 3LnT b b lnV b lnS b ln t= + + + (3-6) Mô hình bậc hai có dạng: 2 2 0 1 2 3 11 22 2 33 12 13 32 LnT b b lnV b lnS b ln t b (lnV ) b (lnS) b (ln t) b (lnV )(lnS) b (lnV )(ln t) b (lnS)(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. - Sự thay đổi của hệ thống công nghệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 vận tốc cắt cao. Và đường cong Taylor của tuổi bền chỉ có ý nghĩa trong điều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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. Bảng 3.1. Các thông số chế độ cắt khác nhau của Dawson và Thomas [27] Hình vẽ 3.6. Tuổi bền dụng cụ tính theo thể tích phoi được bóc tách [27] Các bộ thông số thí nghiệm Th ể tí h h i ( 3 ) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 đồng nghiệp [26] khi tiện cứng thép ổ lăn 100Cr6 bằng dao gắn mảnh PCBN Các bộ thông số thí nghiệm Tu ổi b ề d ( hú t) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =60= cho thấy khi góc trước γn tăng dẫn đến tăng lực cắt, đồng thời góc trước γn có 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. Hình vẽ 3.9. Quan hệ giữa thời gian cắt, tốc độ cắt và độ mòn của dao Góc trước γn (độ) Góc trước γn (độ) Tu ổi b ề ( hú ) L ư µm ) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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 <V2 <V3 <V4; t1, t2, t3, t4 chính là tuổi bền T của dụng cụ ứng với tốc độ V1, 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 Qua đồ thị quan hệ V-T ta thiết lập được công thức liên hệ giữa tốc độ và tuổi bền: lg lg lgV A m T= − ⇒ lg lg lg A Vm T − = ⇒ m AV T = (3-8) . onstmV T c= ⇒ m AT V = (3-9) Hình vẽ 3.11. Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên =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