Luận văn Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ pvd-Tin sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực skd61

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY L ƯA CH ỌN PHẠM VĂN PHONG THÁI NGUYÊN 2007 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CẮT NHẰM TĂNG TUỔI BỀN CỦA DAO PHAY NGÓN PHỦ PVD-TiN SỬ DỤNG PHAY KHUÔN ÉP ĐÚC ÁP LỰC SKD61 Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số:23. Học Viên: TRỊNH MẠNH HÀ Người HD Khoa học : PGS.TS. PHAN QUANG THẾ THÁI NGUYÊN 2009 Công trình được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phan Quang Thế Phản biện 1: PGS.TS. Trần Thế Lục Phản biện 2: TS. Trần Minh Đức Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: Phòng học Cao học số 3, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Vào hồi 9 giờ 30 phút ngày 21 tháng 5 năm 2009 Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Qua nghiên cứu thực tế quá trình gia công khuôn đúc áp lực, vật liệu chế tạo khuôn là SKD61: - Gia công được trên trung tâm phay VMC - 85S. - Phôi rèn được ủ đạt độ cứng (220 - 250HB). - Dụng cụ: Dao phay ngón, dụng cụ phủ TiAlN (xuất xứ Đài Loan). Quá trình gia công ở trên tồn tại hạn chế là: - Dụng cụ mòn nhanh do việc lựa chọn chế độ cắt dựa trên kinh nghiệm, chưa có cơ sở khoa học thực tế. - Tiêu tốn nhiều dụng cụ (12 con dao). Thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử nghiệm. Các bước thực hiện, nội dung chính và kết quả của luận văn: 1. Thu thập các tài liệu tham khảo. 2. Nghiên cứu lý thuyết phủ PVD, các dạng mòn, tuổi bền của dụng cụ và cách xác định. 3. Làm thực nghiệm: - Cắt các đường cắt thử (là các đường thẳng) lấy kết quả để đánh giá lựa chọn chế độ cắt dùng gia công khuôn. V = 40m/ph. S = 170mm/ph (thay đổi S = 200mm/ph để so sánh). t = 5mm (thay đổi t = 7,5mm để so sánh). - Dùng bộ chế độ cắt lựa chọn lần lượt gia công các phần tử của khuôn để so sánh. - Gia công xong 1 phần tử ta thay dụng cụ để gia công phần tử khác. Dùng máy cắt dây cắt dụng cụ, chiều dài cắt bằng chiều dày phoi (trong thí nghiệm tác giả cắt chiêu dài 3mm), rửa sạch bằng cồn, dùng máy nén khí thổi sạch bụi bẩn, dầu mỡ dính trên bề mặt dụng cụ, chụp ảnh SEM để nghiên cứu. Phân tích thành phần vật liệu trên vùng mòn dụng cụ để đánh giá, kết luận chính xác hơn. 4. Đánh giá kết quả, đưa ra cơ chế mòn dụng cụ phủ PVD- TiN khi gia công vật liệu SKD61: Dụng cụ mòn do dính mỏi. * Kết luận: - Khi cắt thép SKD61 với tốc độ cắt lựa chọn, lượng chạy dao thay đổi khi gia công các hốc S = 170 và 200mm/phút, chiều dày phoi a = 2mm, chiều sâu cắt t = 5 và 7,5mm. Dụng cụ mòn nhưng vẫn trong giới hạn cho phép. - Mũi dao bị phá huỷ mạnh do nhiệt cắt tại mũi dao lớn nhất, ở vùng gần mũi dao mòn ít hơn và phát triển mạnh dần đến vị trí cách mũi cắt khoảng 2mm (bằng chiều dày phoi) thì dụng cụ mòn nhiều nhất, các vết nứt trên bề mặt xuất hiện nhiều nhất. * Cơ chế mòn: - Với lớp phủ: VLGC bám dính lên bề mặt, khi vượt qua giới hạn mỏi lớp phủ bị phá huy và bong ra cùng VLGC (cơ chế dính mỏi). Vùng mòn phát triển từ lưỡi cắt, sau đó phát triển rộng dần. - Với vật liệu nền: Xuất hiện các vết chảy, nứt theo biên giới hạt rồi bong ra từng mảng vật liệu làm xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt, cứ như vậy dụng cụ bị bào mòn đến khi dụng cụ không còn khả năng cắt. * Phương hướng nghiên cứu tiếp theo: - Tiếp tục nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho dụng cụ đặc biệt khi phay các cung tròn. - Tiếp tục nghiên cứu nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, đo lực cắt để làm sáng tỏ hơn cơ chế phá huỷ của lớp phủ khi phay thép SKD61. - Tiếp tục nghiên cứu cơ chế phá huỷ mũi dao, nghiên cứu mòn mặt trước của dụng cụ do các nguyên nhân khác nhau. - Tiếp tục nghiên cứu mòn dụng cụ khi phay thép SKD61 đã qua tôi kết hợp biện pháp làm mát phù hợp để có khái niệm đầy đủ hơn qua đó khai thác, sử dụng dụng cụ cắt phủ PVD-TiN một cách hiệu quả hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Qua nghiên cứu thực tế quá trình gia công khuôn đúc áp lực mà sản phẩm là van đóng mở bình ga, vật liệu chế tạo khuôn là SKD61, quá trình gia công đƣợc thực hiện trên trung tâm phay VMC - 85S. Từ phôi rèn đƣợc ủ đạt độ cứng nhất định (35 - 37HRC), quá trình gia công thực hiện bằng dao phay ngón đƣờng kính 2, 6, 8, 10, 16mm, vật liệu dụng cụ TiAlN (xuất xứ Đài Loan) có thể gia công vật liệu có độ cứng 55HRC. Giá thành mua dao: Dao 2: 180.000đ/con dao; dao 6: 310.000đ/con dao; dao 8: 340.000đ/con dao; dao 10: 520.000đ/con dao; dao 16: 1.700.000đ/con dao. Một bộ khuôn gia công gồm 6 phần tử (khuôn đúc đƣợc 6 chi tiết/lần). Thời gian gia công 12 ngày đêm, tốn 12 con dao. Quá trình gia công đƣợc chia làm 3 bƣớc: Bƣớc 1: Phay thô bằng dao đƣờng kính 10, 16mm. Bƣớc 2: Phay bán tinh bằng dao phay đƣờng kính 8mm. Bƣớc 3: Gia công tinh bằng dao phay đầu cầu đƣờng kính 2, 6mm. Sau khi gia công xong, kiểm tra đảm bảo độ chính xác kích thƣớc, mang đúc thử 1.000 lần để khuôn ổn định, đảm bảo không bị biến dạng, cong vênh, nứt nẻ, sau đó đánh bóng và thấm Nitơ hoàn thiện. Khi nghiên cứu quá trình gia công trên, tác giả nhận thấy: Thời gian gia công và tiêu tốn dụng cụ lớn (tuổi bền dụng cụ thấp). Chế độ cắt đƣợc chọn nhƣ sau: Tốc độ cắt: 2.500 vòng/phút (VC = 63m/phút). Lƣợng chạy dao: 80 - 100 mm/phút. Chiều sâu cắt thay đổi từ 0,8 - 1,2 mm. Việc lựa chọn chế độ cắt ở trên chủ yếu là dựa vào kinh nghiệm, chƣa đƣợc qua nghiên cứu, thử nghiệm, không có căn cứ khoa học cụ thể do đó tuổi bền dụng cụ đạt thấp. Hạn chế của quá trình gia công ở trên là: Dụng cụ mòn nhanh, tiêu tốn nhiều dụng cụ (12 con dao), tác giả thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nghiệm để lựa chọn vùng chế độ cắt phù hợp, làm tăng tuổi bền của dụng cụ. Vì vậy, tác giả chọn đề tài: “Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực SKD61” với mục đích ứng dụng vào thực tế sản xuất là rất cấp bách và cần thiết. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Tổng quát hoá ảnh hƣởng của các yếu tố chế độ cắt đến mòn, tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61. - Về mặt thực tiễn: Là kiến thức thực tế, giúp ngƣời kỹ sƣ lập trình lựa chọn các thông số của chế độ cắt phù hợp, làm giảm mòn, tăng tuổi bền, tiết kiệm kinh phí gia công, hạ giá thành sản phẩm khi gia công vật liệu SKD61. 3. Lựa chọn phương pháp và phương tiện nghiên cứu: - Lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu làm thực nghiệm để chứng minh. - Phƣơng tiện nghiên cứu: Máy phay VMC - 85S, máy chụp tế vi, máy đo nhám, kính hiển vi điện tử. 4. Tổ chức nghiên cứu: a. Xác định nhân tố quan hệ: Nhân tố quan hệ nhân quả với tuổi bền của dụng cụ là các yếu tố của chế độ cắt. b. Chọn đại lượng đặc trưng và thông số hoá thí nghiệm: - Chọn đại lƣợng đặc trƣng cho tuổi bền của dụng cụ: + Mòn mặt trƣớc. + Mòn mặt sau. + Các vết nứt tế vi, các vết cào xƣớc trên bề mặt. - Đại lƣợng đặc trƣng cho mối quan hệ: + Chọn biến độc lập: Các yếu tố của chế độ cắt. + Thông số phụ thuộc: Mòn mặt trƣớc, mòn mặt sau, các vết nứt, vết cào xƣớc. - Xây dựng mô hình thí nghiệm: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thông số đầu vào là hệ thống công nghệ Các đại lượng xuất hiện trong quá trình gia công Thông số đầu ra là chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế - Trung tâm gia công VMC-85S CNC. - Vật liệu chi tiết gia công SKD61. - Dụng cụ cắt (thông số hình học dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt). - Chế độ công cắt (s, v, t) - Lực cắt. - Nhiệt cắt. - Rung động. - Mòn và cơ chế mòn. 1. Sai số: - Kích thƣớc. - Hình dáng hình học. - Vị trí tƣơng quan. 2. Chất lƣợng bề mặt. - Nhám bề mặt. - Cơ lý bề mặt. 3. Kinh tế: - Thời gian gia công. - Năng suất. - Giá thành sản phẩm. 4. Tuổi bền dụng cụ Trong giới hạn của đề tài, tác giả chỉ nghiên cứu đại lƣợng xuất hiện trong quá trình gia công là mòn và cơ chế mòn, thông số đầu ra là tuổi bền của dụng cụ. c. Điều kiện biên của thí nghiệm: - Trung tâm gia công CNC: VMC - 85S. - Dụng cụ là dao phay ngón phủ PVD-TiN. - Vật liệu gia công SKD61. d. Tiến hành thí nghiệm cắt thử: - Chuẩn bị phôi, dụng cụ gia công. Đo độ cứng, xác định thành phần của phôi. - Tiến hành cắt thử các đƣờng cắt, đo nhám, so sánh mòn dụng cụ, lựa chọn chế độ cắt để tiến hành gia công khuôn (gia công các hốc). - Sau khi lựa chọn đƣợc chế độ cắt, tiến hành gia công các hốc. Sau khi cắt tiến hành chụp ảnh SEM các dụng cụ, xử lý và phân tích số liệu. Thông số đầu vào Nghiên cứu quá trình gia công Thông số đầu ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5. Nội dung nghiên cứu: Chƣơng 1: Phủ PVD và ứng dụng trong cắt kim loại. Chƣơng 2: Vấn đề chung về gia công các bề mặt bằng dao phay phủ bay hơi. Chƣơng 3: Nghiên cứu về mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61. Chƣơng 4: Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61. Chƣơng 5: Kết luận và phƣơng hƣớng nghiên cứu. Nội dung của luận văn đƣa ra các kết quả nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt, so sánh kết quả với thí nghiệm đã tiến hành trƣớc đó. Phân tích các nhân tố ảnh hƣởng đến mòn dụng cụ khi gia công với các chế độ cắt khác nhau, từ đó đƣa ra các biện pháp khắc phục trong quá trình gia công nhằm tăng năng suất và tuổi bền của dụng cụ. Các nội dung trong luận văn đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS. Phan Quang Thế, sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo công tác tại Phòng Thí nghiệm Cơ khí và Động lực trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Với bản thân đã có nhiều nỗ lực phấn đấu tuy nhiên trong nội dung luân văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong đƣợc các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ để nội dung nghiên cứu đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin trân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2009 HỌC VIÊN THỰC HIỆN Trịnh Mạnh Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. GS.TSKH. Bành Tiến Long, PGS.TS. Trần Sỹ Tuý, PGS.TS. Trần Thế Lục (2001), Nguyên Lý gia công vật liệu, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2]. GS.TS. Trần Văn Địch (2006), Nguyên Lý cắt kim loại, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [3]. Ph.A.Barơbasôp (1984), Kỹ thuật phay (người dịch: Trần Văn Địch), Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật, Hà Nội. [4]. Phạm Quang Lê (1979), Kỹ thuật phay, Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật, Hà Nội. [5]. Phan Quang Thế (2002), “Nghiên cứu khả năng làm việc của dụng cụ thép gió phủ dùng cắt thép các bon trung bình”, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội. Tiếng Anh [6]. T.L.Banh, Q.T.Phan and D.B.Nguyen (2005), Wear Mechanisms of PVD Coated HSS Endmills Used to Machine 1045 Hardened Steel, AZo-OARS. [7]. W.Y.H Liew, W.L.Teh and X.Ding (2006), Wear of Nano-Coated Carbide Tools in End Milling of Stainless Steel, Centre of Materials and Minerals, school of Engineering and Information Technology, Universiti Malaysia Sabah, Locked Bag 2073, Kota Kinabalu, Sabah, Malaysia. [8]. Dr. Deepak G. Bhat (2000), Application of CVD and PVD Technologies to Cutting Tools, and Evaluation of Tool Failure Modes, Manager, TechnologyMraketing and Commercialization UES, Inc., OH 45432, USA. [9]. Norihiro TAKANASHI, Hideki MORIGUCHI, Kazuo YAMAGATA, Keiichi TSUDA, Yasuo TSUKIMORI, Yoshio FUKUYASU, Shinya IMAMURA and Masafumi NIGOSHI (2002), Development of the “ACE COAT ACZ330” PVD- Coated Insert for Steel Milling, Sei technical review, number 54, Japan. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Trang Chƣơng 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI 1 1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition) 1 1.1.1. Khái niệm phủ PVD 1 1.1.2. Khái niệm phủ CVD 4 1.1.3. Tại sao phải sử dụng CVD hoặc PVD 5 1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ 5 1.1.5. Múc độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD 5 1.1.6. Phƣơng pháp nào phủ tốt hơn, PVD hay CVD 5 1.2. Ứng dụng phủ PVD 6 Chƣơng 2 - VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT BẰNG DAO PHAY PHỦ BAY HƠI 11 2.1. Quá trình phay và phay rãnh 11 2.1.1. Khái niệm chung 11 2.1.2. Sự tạo thành bề mặt và các dạng bề mặt gia công 13 2.1.3. Những hiện tƣợng xảy ra trong quá trình cắt 14 2.1.4. Các chuyển động cơ bản khi phay 21 2.1.5. Các thành phần của bề mặt bị cắt khi phay 21 2.1.6. Các thành phần lực cắt và công suất cắt khi phay 25 2.1.7. Phay bậc và phay rãnh bằng dao phay ngón 26 2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát 27 2.2.1. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát trƣợt 27 2.2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ đến tƣơng tác ma sát trong cắt kim loại 29 2.2.3. Ảnh hƣởng của tạp chất trong thép đến tƣơng tác ma sát trong cắt kim loại 30 2.3. Chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ 31 2.3.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt 31 2.3.2. Bản chất của lớp bề mặt 32 2.3.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.3.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ 34 2.3.4.1. Độ nhám bề mặt và phƣơng pháp đánh giá 35 2.3.4.2. Độ sóng bề mặt 35 2.3.4.3. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 35 2.3.5. Các nhân tố ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ 40 2.3.5.1. Ảnh hƣởng của thông số hình học của dụng cụ cắt 40 2.3.5.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt 41 2.3.5.3. Ảnh hƣởng cảu lƣợng chạy dao 42 2.3.5.4. Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt 43 2.3.5.5. Ảnh hƣởng của vật liệu gia công 43 2.3.5.6. Ảnh hƣởng của rung động hệ thống công nghệ 43 2.4. Mòn và tuổi bền của dụng cụ 43 2.4.1. Bản chất vật lý của quá trình cắt 43 2.4.1.1. Cơ chế tạo phoi 43 2.4.1.2. Ma sát trong quá trình cắt kim loại 44 2.4.1.3. Lực tác dụng lên mặt trƣớc và mặt sau của dụng cụ 45 2.4.2. Mòn dụng cụ 46 2.4.2.1. Khái niệm chung về mòn 46 2.4.2.2. Cơ chế mòn của hai bề mặt trƣợt tƣơng đối 47 2.4.2.3. Vai trò của lớp phủ cứng trong giảm mòn 52 2.4.2.4. Mòn dụng cụ và cách xác định 54 2.4.3. Tuổi bền của dụng cụ 59 2.4.3.1. Khái niệm 59 2.4.3.2. Các nhân tố ảnh hƣởng tới tuổi bền 60 2.4.3.3. Cách xác định tuổi bền của dụng cụ cắt 62 Chƣơng 3 - NGHIÊN CỨU VỀ MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61 64 3.1. Thí nghiệm 64 3.1.1. Dao 64 3.1.2. Phôi 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.3. Máy 66 3.1.4. Chế độ cắt 66 3.2. Kết quả thí nghiệm 67 3.2.1. Nhám bề mặt 67 3.2.2. Thời gian gia công 68 3.2.3. Phân tích kết quả 68 3.2.4. Kết luận 68 Chƣơng 4 - ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61 70 4.1. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao 70 4.1.1. Kết quả thí nghiệm 70 4.1.2. Phân tích kết quả 70 4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt 71 4.2.1. Kết quả thí nghiệm 71 4.2.2. Phân tích kết quả 71 4.3. Cơ chế mòn dao phay phủ PVD 71 4.4. Hiệu quả sử dụng dao phay phủ PVD 84 4.4.1. Kết quả đo nhám và mòn dụng cụ 84 4.4.2. Nhận xét và kết luận 84 Chƣơng 5 - KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU 85 5.1. Kết luận 85 5.2. Phƣơng hƣớng nghiên cứu 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tên em là: Trịnh Mạnh Hà. Sinh ngày : 28 tháng 6 năm 1977. Học viên lớp CH-K9 chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Đơn vị công tác : Trƣờng Trung học Kinh tế - Kỹ thuật Tuyên Quang. Em xin cam đoan : Đề tài "Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN khi gia công khuôn ép chịu áp lực SKD61" do thầy giáo PGS.TS. Phan Quang Thế hƣớng dẫn. Đây là công trình của riêng em. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng. Em xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu cảu giáo viên hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2009 HỌC VIÊN Trịnh Mạnh Hà - 1 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chƣơng 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI 1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition) Sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới cho khả năng cắt với vận tốc cắt tới vài trăm m/phút cũng không làm mất đi vị trí quan trọng của thép gió trong cắt kim loại vì thép gió có tính ưu việt: Khả năng dễ gia công, tạo hình được các dụng cụ có hình dáng phức tạp, độ dai va đập cao (Khoảng 2,5 lần so với hợp kim cứng), độ cứng nóng đáp ứng được các chế độ công nghệ trung bình và thấp, giá thành thấp. Thép gió được dùng làm dụng cụ cho các nguyên công như: Khoan, khoét, doa, phay rãnh…nói chung là các nguyên công gia công lần cuối. Điều kiện thoát phoi và nhiệt ở đó thường khó khăn hơn so với tiện vì thế việc nâng cao chế độ công nghệ và tuổi bền cho dao thép gió bằng phủ có ý nghĩa vô cùng quan trọng để nâng cao năng suất và chất lượng gia công. Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ PVD Phủ CVD Không phủ Dụng cụ thép gió 4 tỷ USD 23% 0% 77% Dụng cụ hợp kim cứng 6 tỷ USD 10% 60% 30% Dụng cụ tạo hình 8 tỷ USD 3% 5% 92% Tổng số 18 tỷ USD 10% 22% 68% Bảng 1: Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu. Thống kê số liệu thị trường thế giới về dụng cụ phủ cho thấy rằng chỉ sau 15 năm, phủ PVD được ứng dụng trong ngành dụng cụ thì có đến 23% các dụng cụ thép gió, 3% dụng cụ tao hình và 10% dụng cụ hợp kim cứng được phủ bằng phương pháp này. Nhu cầu phủ PVD cho thép gió cao gấp hơn 2 lần hợp kim cứng cho thấy ý nghĩa quan trọng của phủ đối với thép gió trong công nghiệp. Người ta dự đoán tốc độ sử dụng dụng cụ phủ hàng năm sẽ tăng đến 10% trong tương lai. 1.1.1. Khái niệm phủ PVD Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC - 500oC. Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ - 2 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do nhiệt độ tháp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thực hiện trước khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền. Hình 1: Cấu trúc lớp phủ Hình 2: Bột phủ PVD Theo nguyên tắc bay hơi, phủ PVD có 4 dạng cơ bản: - Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp. - Dòng điện tử có điện thế cao. - Hồ quang. - Phát xạ từ lệch. Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ. - 3 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Hơn 30 năm qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với hầu hết các ứng dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã được sử dụng rộng rãi nhất cho các công cụ cắt. Bảng 2: Các dạng phủ PVD Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid được phân loại như phủ ngoài ma sát thấp. Những công nghệ phủ này cung cấp một giải pháp gia công không thể thay thế được trong những vật liệu đòi hỏi tốc độ cắt thấp và độ mài mòn cao. Phủ PVD là thành phần quan trọng của gia công tốc độ cao vì khi tốc độ cắt tăng lên, lượng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công sẽ tăng lên nhiều. Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hoàn thiện bề mặt tốt hơn, hình học chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất thông qua sự tăng tuổi thọ công cụ. Điều này có thể được đánh giá theo hai cách: 1. Tăng tuổi thọ dao cụ dẫn đến chi phí gia công mỗi lỗ hổng hay lõi sẽ thấp hơn. 2. Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất. Điều này có thể sẽ giữ nguyên mức chi phí gia công nhưng sẽ tăng năng suất của xưởng sản xuất bằng cách tăng các thông số của chế độ cắt. Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia công hiệu quả hơn. Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá trình sản xuất có thể giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai. - 4 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 3: Khả năng gia công của vật liệu phủ Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia công hiệu quả hơn. Tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ được sinh ra. Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này rất quan trọng để theo kịp các xu hướng sản xuất trong tương lai. Các nhà sản xuất hiện nay vẫn không ngừng tìm kiếm những biện pháp duy trì khả năng cạnh tranh trong một thị trường cạnh tranh cao đồng thời để tăng lợi nhuận. Thường thì các nhà sản xuất phải đối mặt với việc mua thiết bị mới hay thuê thêm nhân viên để đạt được mục tiêu này. Tuy nhiên, bằng cách phân tích quá trình gia công và ứng dụng một số công nghệ phủ ngoài hiện đại, các xưởng gia công có thể tìm ra một giải pháp chi phí thấp nhằm làm tăng năng suất, tăng lợi nhuận hay cả hai. 1.1.2. Khái niệm phủ CVD Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ các lớp mỏng ceramics như TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cương nhân tạo…với chiều dày 5 m ÷ 10 m. Chi tiết phủ được đặt và nung nóng trong buồng kín chứa khí H2 (dưới áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn). Các hợp chất bay hơi được đưa vào buồng này để tạo ra các thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học. Nhiệt độ của quá trình từ 800o đến 1050o và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ. - 5 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.1.3. Tại sao phải sử dụng phủ PVD hoặc CVD Chưa quan tâm tới các ứng dụng cụ thể, lý do chính để sử dụng PVD hoặc CVD hết sức đơn giản, đó là bài toán kinh tế: Làm giảm chi phí trên mỗi sản phẩm. Bài toán tiết kiệm chi phí được xác định dễ dàng như sau: Giảm thời gian gia công, thời gian thay dụng cụ + Tăng tốc độ gia công = Tiết kiệm. 1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ Mặc dù mỗi phương pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánh giá hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trưng chính được chọn làm cơ sở, đó là: độ cứng và ma sát. Vật liệu Thép dụng cụ HSS Hợp kim cứng PVD & CVD Độ cứng (HRC) 58 - 62 62 - 65 70 - 76 > 80 Bảng 4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều. Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa là sẽ làm giảm áp lực tác dụng. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát sẽ làm giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm chậm quá trình phá hủy lưỡi cắt. Còn trong các ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự bám dính của vật liệu cho phép quá trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn. 1.1.5. Mức độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD Theo các đánh giá sơ bộ, tuổi thọ dụng cụ khi phủ thường gấp từ 2 -3 lần so với khi không phủ. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, ứng dụng cụ thể còn cho thấy tuổi thọ có thế tăng gấp 10 lần. 1.1.6. Phương pháp phủ nào tốt hơn, PVD hay CVD Có nhiều vấn đề khác nhau cần phải tính toán khi trả lời câu hỏi này như ứng dụng, vật liệu nền và dung sai dụng cụ. Đơn giản là khi dung sai và vật liệu cho phép, CVD sẽ có ưu thế hơn trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các ứng dụng tạo hình biến dạng kim loại có ứng - 6 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên suất cao. Các quá trình phủ CVD tạo ra các liên kết kiểu khuếch tán giữa lớp phủ và nền, liên kết này lớn hơn nhiều so với liên kết được tạo ra trong PVD. Quá trình phủ CVD được thực hiện ở nhiệt độ cao, khoảng 800oC đến 1050o. Đặc điểm này có thể làm hạn chế cho việc phủ CVD trong một số trường hợp. Quá trình phủ PVD thực hiện được trên một diện rộng hơn, với nhiều nền và ứng dụng khác nhau. Đó là vì được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (400oC đến 500 o C) với độ dày trung bình 2 - 5 m. Với đặc tính này thì rất lý tưởng cho việc phủ PVD cho các dụng cụ cắt thép gió (HSS), hợp kim cứng cũng như các chi tiết đòi hỏi dung sai chặt chẽ như các chi tiết khuôn mẫu... Hơn nữa, nhiệt độ quá trình thấp nghĩa là sai lệch về điểm “0” sẽ được tiến hành trên hầu hết các vật liệu, miễn là nhiệt độ rút ra chính xác vẫn được duy trì. 1.2. Ứng dụng phủ PVD: Phủ PVD có 4 dạng cơ bản: - Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp - Dòng điện tử có điện thế cao - Hồ quang - Phương pháp phát xạ từ lệch Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ. Phương pháp dùng dòng điện tử có điện thế thấp như hình 3 (a) dùng để phủ TiN và TiCN sử dụng dòng điện tử 100V để bay hơi Ti. Mức độ ion hoá của kim loại bay hơi và khí phản ứng cao, tuy nhiên hệ thống này chỉ phủ các chi tiết có kích thước không lớn. Tốc độ phủ thấp. Các dụng cụ có kích thước lớn thường được phủ bằng dòng điện tử có điện thế cao như hình 3 (b). Tốc độ phủ cao, tuy nhiên điện thế 10000V làm giảm khả năng ion hoá của dòng kim loại bay hơi và phản ứng vì thế người ta sử dụng một hệ ba cực để tăng mức độ ion hoá cho hệ thống. Hệ thống này chỉ phủ được TiN và TiCN. - 7 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3: Sơ đồ 4 phương pháp phủ PVD cơ bản (a) Dòng điện tử có điện thế thấp (b) Dòng điện tử có điện thế cao (c) Hồ quang (d) Phát xạ từ lệch Sơ đồ bay hơi bằng hồ quang được dùng để phủ TiAlN hình 3(c). Tuy nhiên hợp kim TiAl để bay hơi phải ở thể rắn nguyên khối. Hệ thống này có thể tạo ra lớp phủ mỏng đến 2000A và tạo nên lớp khuếch tán giữa nền và lớp phủ. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là sự tạo thành các hạt Ti trên bề mặt lớp phủ, tuy nhiên nhược điểm này có thể khắc phục được nhờ lưới lọc. Phương pháp phát xạ từ lệch có thể tạo nên bất kỳ lớp phủ nào hình 3 (d). Các điện cực âm tạo nên một plasma của các ion khí trơ làm bật các nguyên tử của kim loại bay hơi ra khỏi bề mặt, tạo thành lớp phủ trên bề mặt chi tiết sau khi tác dụng với khí phản ứng. Nam châm vòng ngoài của các điện cực âm phát xạ được chế tạo mạnh hơn (lệch) so với bên trong để tạo nên một plasma ở vùng chi tiết phủ. - 8 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phủ PVD đã mở rộng phạm vi sử dụng của thép gió. Ví dụ: Dao phay lăn răng thép gió phủ PVD trong một số trường hợp tỏ ra tốt hơn dao gắn mảnh các bít. Hơn nữa phủ PVD còn có thể phủ được ở trạng thái không cân bằng nhiệt mà CVD không thể thực hiện được. Ví dụ: Phủ hợp chất kim cương nhân tạo với các hạt các bít siêu nhỏ WC/C. Ưu điểm của phủ PVD là cơ sở cho việc phủ các lớp bôi trơn cùng với các lớp phủ cứng như MoS2 và WC/C. Chẳng hạn các lưỡi cắt của mũi khoan cần được bảo vệ bằng các lớp phủ cứng nhưng các bề mặt rãnh thoát phoi cần được phủ bằng lớp giảm ma sát. Điều này mở ra một triển vọng mới về ứng dụng của phủ PVD cho các dụng cụ ép, dập và các chi tiết máy chính xác. Hình 4: Hình ảnh một số thiết bị phủ và sơ đồ thiết bị phủ PVD - 9 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 5: Các dụng cụ được ứng dụng phủ PVD Bảng 5: Ứng dụng của phủ PVD - 10 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 6: Giới thiệu các dạng phủ PVD - 11 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chƣơng 2 - VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT BẰNG DAO PHAY PHỦ BAY HƠI 2.1. Quá trình phay và phay rãnh 2.1.1. Khái niệm chung Quá trình cắt khi phay phức tạp hơn khi tiện. Khi tiện, dao tiện dao luôn tiếp xúc với chi tiết và cắt phoi với tiết diện không thay đổi. Trong tất cả các trường hợp phay, phoi được cắt rời từng mảnh có chiều dày thay đổi. Ngoài ra khi phay, ở mỗi vòng quay của dao, mỗi răng của dao phay lúc vào chỉ tiếp xúc với chi tiết gia công còn lúc ra thì không tiếp xúc. Lúc răng ăn vào chi tiết gia công có xảy ra hiện tượng va đập. Như vậy, điều kiện làm việc của dao phay nặng hơn rất nhiều so với điều kiện làm việc của dao tiện. Cho nên cần phải biết các quy luật cơ bản của quá trình phay để trong trường hợp cụ thể khi điều kiện gia công tốt nhất thì đạt được năng suất cao nhất. Phay là một phương pháp gia công cắt gọt kim loại. Đó là quá trình cắt đi một lớp kim loại (hay còn gọi là lượng dư gia công để tạo thành phoi) trên bề mặt của phôi để được chi tiết có hình dáng, kích thước, độ chính xác, độ bóng theo yêu cầu kỹ thuật trên bản vẽ. Quá trình đó được thực hiện trên các máy phay (gọi chung là máy công cụ hay máy cắt kim loại) bằng các loại dao phay, mũi khoan…gọi chung là dụng cụ gia công cắt gọt. Phay là phương pháp gia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn cấp 3-4 và độ bóng không hơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công đạt năng suất cao nhất. Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt phẳng, định hình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren, bánh răng… Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độ bóng, độ chính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùng trong sản xuất đơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối. Số lượng nguyên công gia công cắt gọt đạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyên công phay cũng chiếm một - 12 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên tỷ lệ lớn. Máy phay có số lượng nhiều, chiếm tỷ lệ lớn và giữ một vị trí quan trọng trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí. - 13 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 6: Hình ảnh các dạng dao phay ngón Dao phay là loại dụng cụ cắt có nhiều lưỡi, trong quá trình cắt ngoài những đặc điểm giống quá trình cắt khi tiện, còn có những đặc điểm sau: - Dao có một số lưỡi cắt cùng tham gia cắt, nên năng suất cắt khi phay cao hơn khi bào. - Lưỡi cắt của dao phay làm việc không liên tục, cùng với khối lượng thân dao phay thường lớn nên điều kiện truyền nhiệt tốt. - Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung động trong quá trình cắt. - Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khả năng tồn tại lẹo dao ít. 2.1.2. Sự tạo thành bề mặt và các dạng bề mặt gia công Hình dạng bề mặt các chi tiết, dụng cụ gia công cơ khí rất đa dạng. Khi một điểm chuyển động tạo thành một đường, khi một đoạn thẳng (gọi là đường sinh) chuyển động liên tục dựa trên một đường khác (gọi là đường chuẩn) tạo thành một mặt. Đó là quỹ đạo của một điểm hay một đường. - 14 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 7: Quỹ đạo của một điểm (a) và một đoạn thẳng (b) Hình 7 Giới thiệu một số ví dụ tạo hình các bề mặt điển hình: mặt phẳng, mặt nón, mặt trụ, mặt cầu, mặt thân khai, mặt khai triển… Chuyển động tương đối giữa đường sinh và đường chuẩn gọi là chuyển động tạo hình bề mặt gia công, đó là chuyển động tương đối giữa dao và phôi để hình thành nên bề mặt gia công, chúng có thể là chuyển động đơn giản hoặc phức tạp theo các phương pháp chép hình, bao hình, quỹ tích (theo vết) và phương pháp tiếp xúc. Hình 8: Các dạng bề mặt chi tiết gia công 2.1.3. Những hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt: Quá trình cắt kim loại khi phay về nguyên tắc không khác quá trình cắt khi tiện. Ở đây tập trung nghiên cứu một số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt. Lớp kim loại được cắt gọi là phoi, có thể có nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện gia công. Theo giáo sư I. A. Timê thì phoi có các dạng sau đây: Phoi dây, phoi xếp và phoi vụn. A A’ A’’ (a) A A’ A’’ B B’ B’’ (b) - 15 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Hiện tượng lẹo dao Khi gia công vật liệu dẻo, trong một số trường hợp ở mặt trước của dao hình thành lẹo dao. Đó là một mẩu vật liệu gia công có hình dạng chêm gắn chặt vào mặt trước của dao, nó bị biến dạng mạnh nên có độ cứng cao. Mảnh kim loại này liên tục được tách ra cùng với phoi rồi lại được tạo thành. Thực ra nó là phần cắt của dụng cụ và bảo vệ lưỡi cắt khỏi bị mòn. Tuy vậy, nếu mặt trước của dao hình thành lẹo dao thì chất lượng bề mặt gia công sẽ giảm. Vì thế khi gia công tinh cũng như khi cắt ren, lẹo dao là một hiện tượng xấu. Để khử lẹo dao, cần phải mài bóng mặt trước của dao thật cẩn thận hoặc thay đổi tốc độ cắt (thường thường tăng tới 30m/phút hoặc cao hơn), đồng thời cũng có thể sử dụng dung dịch trơn nguội trong từng điều kiện gia công cụ thể. - Sự co rút phoi Trong quá trình cắt phoi bị biến dạng và ngắn hơn so với phần chi tiết được cắt ra. Hiện tượng phoi bị ngắn theo chiều dài được gọi là sự co rút của phoi theo chiều dài. Thể tích của kim loại khi bị biến dạng thực tế không thay đổi. Vì vậy, trong khi chiều dài của phoi giảm thì diện tích tiết diện ngang của phoi tăng. Diện tích tiết diện ngang của phoi tăng được gọi là sự co rút của phoi theo chiều ngang. - Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt Trong quá trình cắt chi tiết gia công, dụng cụ cắt và phoi bị nung nóng. Khi tăng tốc độ cắt, đặc biệt là khi cắt các phoi mỏng, nhiệt độ trong vùng cắt sẽ tăng tới 600 o C. Nếu tốc độ cắt tiếp tục tăng, trong nhiều trường hợp phoi cắt sẽ bị nung nóng tới 900oC (màu đỏ sáng). Trong trường hợp này, trên bề mặt gia công của vật liệu thép có thể thấy nhiều màu sắc biến đổi chứng tỏ nhiệt độ ở lớp bề mặt của chi tiết trong thời gian tiếp xúc với mặt sau của dụng cụ lên rất cao. Nhiệt độ ở vùng cắt tăng là do có hiện tượng cơ năng chuyển thành nhiệt năng trong quá trình cắt. Uxachôp đã chứng minh rằng, nhiệt độ ở phoi chiếm 60-80% toàn bộ nhiệt tạo thành khi cắt, ở dụng cụ 10-40%, còn ở chi tiết gia công 3-10%, nhiệt phân bố không đều trên cả phoi và dụng cụ cắt. Ở dụng cụ cắt, khi làm việc liên tục thì nhiệt hầu như cố định sau mấy phút làm việc. Thực tế thì nhiệt trong chi tiết được cân - 16 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên bằng ngay sau khi gia công xong. Nhiệt trong vùng cắt ảnh hưởng lớn tới toàn bộ quá trình cắt gọt và các hiện tượng sinh ra trong quá trình đó (như lẹo dao, mòn dao…) Vì thế hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt phải được chú ý thích đáng. Hình 9: Trường nhiệt độ trong dụng cụ gia công, phoi và vật liệu Tạo phoi trong quá trình cắt và thoát phoi khỏi vùng cắt làm xuất hiện một hiện tượng nhiệt nhất định. Nhiệt cắt xuất hiện bằng sự chuyển đổi từ công cắt, gần như tất cả công cần thiết trong quá cắt đều biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi và công kín (tổng của hai loại công này nhỏ, không vượt quá 5%). Trong trường hợp hệ thống công nghệ cứng vững thì công biến dạng đàn hồi và công kín cực đại là 2% của công cắt, phần còn lại chuyển thành nhiệt trong quá trình cắt. Các nghiên cứu cũng đã chứng tỏ rằng khoảng 97 - 98% công suất cắt biến thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (qua mặt trượt AB), mặt trước AC và mặt sau AD (nhiệt độ sinh ra tại vùng cắt có thể đến 13000C), thể hiện trên hình 9. Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường với tỷ lệ khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường. Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt: Q = Qmặt phẳng trượt + Qmặt trước + Qmặt sau Theo định luật bảo toàn năng lượng thì nhiệt lượng này sẽ truyền vào hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường theo công thức sau: Q = Qdao + Qphoi + Qphôi + Qmt - 17 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 10: Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong quá trình cắt Biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, ma sát giữa vật liệu gia công với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở vùng gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá huỷ bộ phận đến hoàn toàn khả năng làm việc của lưỡi cắt. Nhiệt cắt và nhiệt độ trong dụng cụ cắt tăng khi cắt với vận tốc cắt cao và lượng chạy dao lớn. Hình 11: Mối quan hệ giữa tốc độ cắt, lượng mòn mặt sau đến nhiệt độ trên mặt trước dụng cụ cắt - 18 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nhiệt của phoi tại thời điểm cụ thể ở khoảng khắc tức thời có thể coi là kết quả tác động của hai nguồn: nguồn nhiệt trên mặt cắt (mặt trượt) biến dạng đàn hồi bậc nhất và nguồn ma sát trên mặt trước. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết của trường nhiệt độ khi gia công đã rút ra một số kết luận: - Trường nhiệt độ khi gia công là không ổn định. - Nhiệt độ của môt điểm xác định (x, y, z) phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Tính chất vật lý của vật liệu dụng cụ và chi tiết. + Điều kiện cắt. + Phương pháp gia công (khoan, tiện, phay, mài). + Môi trường cắt. Từ quan điểm ứng dụng thực tiễn chúng ta quan tâm trước tiên đến trường nhiệt độ của dụng cụ (vì lý do kinh tế) và trường nhiệt độ của chi tiết gia công (vì lý do chất lượng). Trường nhiệt độ và nhiệt độ trung bình của chi tiết gia công có ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước và trạng thái lớp bề mặt của chi tiết gia công (biến cứng và ứng suất dư). n = 63 vòng/phút s = 0,057mm/răng h = 3mm n = 63 vòng/phút s = 0,112mm/răng h = 3mm n = 90 vòng/phút s = 0,112mm/răng h = 3mm Hình 12: Trường nhiệt độ chi tiết khi phay với các chế độ cắt khác nhau Trên hình 12 là ảnh hưởng của chiều dày phoi (lượng chạy dao Sz) đến sự phân bố nhiệt độ trong chi tiết khi phay. Khi tăng chiều dày thì tăng thì tăng nhiệt độ trung bình của chi tiết gia công và chiều sâu đẳng nhiệt với > 20oC dưới bề mặt cắt. Trường hợp đặc biệt trường nhiệt độ ở chiều dày phoi cắt nhỏ, gần với lát cắt - 19 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (ăn khớp) tối thiểu, ngược lại khi giảm chiều dày thì dẫn đến tăng nhiệt độ của chi tiết gia công. Ở các loại dụng cụ làm việc không liên tục (khi phay) và khả năng dẫn nhiệt kém thì những sự va đập và sự chênh lệch nhiệt lớn có thể dẫn đến việc xuất hiện những vết nứt, rạn dụng cụ. n = 63vg/ph, s = 112mm/ph, h = 3mm n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 2mm n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 1mm n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 3mm Hình 13: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến trường nhiệt độ của dao phay Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trường nhiệt độ của dụng cụ không những cho biết một cách tổng quát về sự phân bố đẳng nhiệt ở lưỡi cắt mà còn có khả năng đánh giá ảnh hưởng của điều kiện cắt đến trường nhiệt độ của dụng cụ. Trường nhiệt độ của dụng cụ, trước hết nhiệt độ của các lớp bề mặt mà chúng được xác định do tác động của phoi và bề mặt cắt, có ảnh hưởng đến khả năng tổng thể của dụng cụ chống lại mài mòn. Tăng nhiệt độ của lớp bề mặt thì phần lớn có hậu quả là tăng cường độ biến cứng của tất cả các dạng mài mòn. Nhiệt độ của của các lớp bề mặt trước và sau có ảnh hưởng rõ nét đến trạng thái của những lớp bề mặt này, đến đặc tính của sự tác động tương hỗ của chúng với vật liệu của chi tiết gia công và đến cả bản chất và cường độ mài mòn dụng cụ. Xét về - 20 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên mặt mài mòn của dụng cụ thì chúng ta quan tâm đến nhiệt độ cực đại trên mặt trước và mặt sau và cả sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này. Ví dụ: xác định nhiệt độ trung bình của toàn bộ bề mặt tiếp xúc của dụng cụ với phoi và chi tiết gia công tức là của các phần hoạt động của mặt trước và mặt sau cùng đồng thời. Đương nhiên nhiệt độ trung bình thấp hơn nhiệt độ cực đại trên lưỡi cắt nhưng nó có ưu điểm là có thể xác định một cách dễ dàng hơn. Từ quan điểm thực tiễn kỹ thuật thì nhiệt cắt trung bình các điểm tiếp xúc của vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ cắt là có ý nghĩa nhất. Nhiệt độ này có ảnh hưởng quyết định đến tính chất cơ học và vật lý của các lớp bề mặt tiếp xúc, tức là ảnh hưởng đến quá trình mài mòn của dụng cụ. Độ chính xác của chi tiết gia công bị ảnh hưởng bởi sự nung nóng nó trong quá trình cắt. Độ nung nóng của chi tiết được đặc trưng bằng nhiệt độ trung bình. Dụng cụ bị mài mòn làm thay đổi hình học của phần cắt và làm cho nhiệt cắt thay đổi. Sự thay đổi nhiệt cắt phụ thuộc và đặc tính mài mòn của dụng cụ cắt. Khi tăng rãnh lõm trên mặt trước thì nhiệt độ tại điểm tiếp xúc trên mặt trước có phần giảm đi, bởi vì giảm góc cắt. Đó là nguyên nhân dẫn tới chiều dày cắt trung bình có cả mòn mặt trước và mặt sau làm nhiệt cắt tăng dần với sự mài mòn lưỡi cắt nhưng tăng chậm hơn ở các loại phoi có chiều dày cắt nhỏ khi mài mòn chỉ diễn ra ở mặt sau. Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì thông thường nhiệt độ cắt giảm nhanh vì ngoài tác dụng làm nguội, dung dịch còn có tác dụng bôi trơn làm giảm ma sát trong quá trình cắt. Hiệu quả làm nguội càng lớn thì nhiệt cắt càng giảm nhiều. Đặc thù của quá trình gia công cũng ảnh hưởng đến nhiệt cắt. Ví dụ khoan lỗ sâu, tiện lỗ trong, tiện cắt đứt…thì nhiệt cắt sẽ lớn hơn. Sử dụng dung dịch trơn nguội trong trường hợp này có hiệu quả lớn đến tuổi bền của dụng cụ. Trong nghiên cứu này tác giả không sử dụng dung dịch trơn nguội mà sử dụng luồng khí để thổi phoi khỏi cùng cắt, tạo điều kiện phoi thoát ra được dễ dàng, không ảnh hưởng đến dụng cụ gia công. - 21 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.4. Các chuyển động cơ bản khi phay Chuyển động cơ bản là các chuyển động để thực hiện quá trình cắt gọt, hình thành các bề mặt chi tiết gia công, bao gồm: - Chuyển động chính (chuyển động cắt): là chuyển động chủ yếu thực hiện quá trình cắt tạo ra phoi, ký hiệu là V hoặc n. Chuyển động chính khi phay là chuyển động quay tròn của dao phay được truyền dẫn qua trục chính. - Chuyển động chạy dao S là chuyển động để thực hiện quá trình cắt tiếp tục và cắt hết chiều dài chi tiết. Đó là chuyển động dọc, ngang hoặc thẳng đứng của bàn máy phay có gá phôi. Chúng thường vuông góc với trục dao. 2.1.5. Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay Các thông số của yếu tố cắt và chế độ cắt khi phay bao gồm chiều sâu lớp cắt to, lượng chạy dao S, vận tốc cắt V, chiều sâu phay t, chiều rộng phay B, chiều dày cắt a. Khi phay các yếu tố này ảnh hưởng đến tuổi bền của dao, chất lượng bề mặt gia công, công suất cắt và năng suất cắt. - Chiều sâu cắt to Chiều sâu cắt là kích thước lớp kim loại được cắt đi ứng với một lần chuyển dao, đo theo phương vuông góc với bề mặt gia công (mm). - Lượng chạy dao S Được phân làm 3 loại: + Lượng chạy dao răng Sz: là lượng dịch chuyển của bàn máy (mang chi tiết gia công) sau khi dao quay được một góc răng (mm/răng). + Lượng chạy dao vòng Sv: là lượng dịch chuyển của bàn máy khi dao quay được một vòng (mm/vòng). Sv = Sz.Z + Lượng chạy dao phút Sph: là lượng dịch chuyển của bàn máy sau thời gian 1phút (mm/phút). Sph = Sz.Zn - Tốc độ cắt Tốc độ cắt khi phay được biểu diễn: snc VVV  - 22 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên )cos(2 22 snsnsnc VVVVVVV (2-1) Dấu (+) ứng với trường hợp phay nghịch, dấu (-) ứng với trường hợp phay thuận. Trong đó: Vn = .D.n/1000 (m/phút) Vs = SzZn (mm/phút) Thực tế giá trị Vs rất nhỏ so với Vn khi tính toán chế độ cắt người ta thường bỏ qua lượng Vs, khi đó công thức 2-1 có dạng: Vc = Vn = .D.n/1000 (m/phút) Và quỹ đạo của lưỡi cắt là vòng tròn có phương trình sau: x = RSin y = R(1 - cos ) - Chiều sâu phay t Chiều sâu phay là kích thước lớp kim loại được cắt đi, đo theo phương vuông góc với trục của dao phay ứng với góc tiếp xúc . Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều sâu phay bằng đường kính dao, khi phay bề mặt vuông góc thì chiều sâu phay bằng chiều sâu cắt to. - Chiều rộng phay B Chiều rộng phay là kích thước lớp kim loại được cắt theo phương chiều trục của dao phay. Khi phay bằng dao phay ngón thì chiều rộng phay bằng chiều sâu rãnh, khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu thì chiều rộng phay bằng chiều sâu cắt to (B = to). - Góc tiếp xúc Là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc t giữa dao và chi tiết. Khi phay bằng dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa và dao phay định hình góc tiếp xúc được tính theo công thức sau: Cos = 1 - 2t/D hay Sin = D t 2 cos1 (2-3) (2-2) - 23 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 14: Góc tiếp xúc khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón Khi phay đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì: Sin 2 = D t (2-4) Khi phay không đối xứng bằng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón thì: = 2 + Sin = D t2 - 1 (2-5) = 2 + arsin( D t2 - 1) (2-6) Hình 15: Phay không đối xứng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón - Chiều dày cắt a khi phay Chiều dày cắt khi phay là một trong những yếu tố quan trọng của quá trình phay. Chiều dày cắt khi phay là khoảng cách giữa hai vị trí kế tiếp của quỹ đạo chuyển động của một điểm trên lưỡi cắt ứng với lượng chạy dao răng Sz. Ở trên ta coi gần đúng quỹ đạo chuyển động tương đối của lưỡi cắt là đường tròn, do đó chiều dày cắt a được đo theo phương đường kính của dao. Trong qúa trình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số amin đến amax hoặc từ amax đến amin tuỳ theo phương pháp phay. Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu: - 24 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 16: Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu Từ hình 16 cho sơ đồ tính toán chiều dày cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu. Sau khi bàn máy dịch chuyển một đoạn Sz thì quỹ đạo của lưỡi cắt dịch chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 2 và lưỡi dao cắt một lớp kim loại có chiều dày là aM thay đổi phụ thuộc vào vị trí của điểm M (nghĩa là phụ thuộc vào vị trí của góc ) Theo hình 16, ta có: aM = nsin (2-7) Trong đó: là góc nghiêng chính Ta có thể coi tam giác CMN là tam giác vuông với góc CMN = 900 do đó: n = Szcos (2-8) Thay (2-8) vào (2-7) ta có: aM = Szcos sin (2-9) Công thức trên biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dày cắt aM với góc xác định vị trí tức thời của một răng khi đang cắt. - Chiều rộng của lớp cắt khi phay Khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón, chiều rộng lớp cắt giống như khi tiện là một lượng không đổi. Trường hợp = 0 thì b = sin b (2-10) Trường hợp 0 thì b = cossin b (2-11) - 25 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đối với dao phay trụ răng thẳng thì b = B - Diện tích cắt khi phay Diện tích cắt do n răng đồng thời tham gia cắt là: F = SzB n i i 1 sin (2-12) Từ công thức (2-12), ta thấy diện tích cắt là một lượng thay đổi. Diện tích cắt thay đổi làm cho lực cắt thay đổi trong giới hạn Fmax và Fmin. Song trong thực tế không phải bao giờ ta cũng cần đến lực cắt tức thời mà nhiều lúc phải tính lực cắt trung bình. Do đó ta cần xác định diện tích cắt trung bình: Ftb = atbbn (2-13) Từ công thức n = Z 360 ta có atb = D tSz2 (mm) Từ atb = D tSz2 ta có n = Z 360 và b = B Thay thế các đại lượng trên vào (2-13) ta có: Ftb = D zBtS z (2-14) 2.1.6. Các thành phần lực cắt và công suất cắt khi phay - Lực cắt tổng R tác dụng lên một răng dao phay cũng như lực cắt khi tiện có thể được phân thành những lực thành phần theo các phương xác định. Khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng ta có: zr PPR  hoặc nd PPR  Trong đó: Pz: lực vòng hay còn gọi là lực tiếp tuyến, là lực chính để tạo phoi. Pr: lực hướng kính tác dụng vuông góc với trục chính, có xu hướng làm võng trục gá dao, đồng thời tạo ra một áp lực trên các ổ của trục chính. Pd: thành phần lực thẳng đứng, tuỳ theo phay thuận hay nghịch mà nó tác dụng đè chi tiết xuống hay nâng chi tiết lên. Ta có quan hệ sau: Pd = Pzsin i Prcos i (dấu + khi phay thuận và ngược lại) (2-15) - 26 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Pn là thành phần lực nằm ngang hay là lực chạy dao vì nó có phương trùng với phương chạy dao. Tuỳ theo phay thuận hay phay nghịch mà nó có tác dụng làm tăng hay giảm độ dơ cơ cấu truyền động chạy dao. Tính toán cơ cấu chạy dao cũng như đồ gá kẹp chi tiết ta có: Pd = Pzcos i Prsin i (dấu + khi phay nghịch và ngược lại) (2-16) - Công suất cắt hiệu dụng Ne: là công suất cần thiết để thực hiện quá trình cắt gọt (không kể hệ số có ích của máy). Nó bằng tích giữa lực Pz và tốc độ cắt v. Trong trường hợp này công thức để tính công suất có dạng: Ne = Pz.v/6120 (kW) (2-17) Dựa theo lực Pz, ta xác định mômen xoắn M: M = Pz.D/2 (kGm) (2-18) 2.1.7. Phay bậc và phay rãnh bằng dao phay ngón Bậc và rãnh được gia công bằng dao phay ngón trên các máy phay ngang và máy phay đứng. Dao phay ngón được chế tạo với răng trung bình và răng lớn. Dao phay răng trung bình để gia công tinh và bán tinh, còn dao phay răng lớn dùng gia công thô. Hình 17: Phay lỗ chữ nhật trên phôi hộp, phay bậc bằng dao phay ngón Độ chính xác của rãnh theo chiều rộng khi gia công bằng dao định kích thước (phay đĩa và dao phay ngón) phụ thuộc vào độ chính xác của dao, độ chính xác và độ cứng vững của máy, độ đảo của dao khi kẹp trên trục chính. Nhược điểm của dao định kích thước là kích thước giảm khi dao bị mòn và sau khi mài sắc lại. Để đạt kích thước chính xác theo chiều rộng của rãnh có thể phay làm hai bước: thô và tinh. Khi phay tinh, dao phay chỉ cắt rãnh theo chiều rộng và như vậy kích thước đảm bảo trong thời gian dài. - 27 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong quá trình gia công rãnh bằng dao phay ngón, phoi phải được thoát lên phía trên theo các rãnh thoát để bề mặt gia công không bị phá hoại và các răng của dao không bị gãy. Tuy nhiên thành phần lực cắt hướng trục Px có hướng từ trên xuống dưới và có xu thế kéo dao ra khỏi trục chính. Vì vậy, khi phay rãnh cần phải kẹp dao vững hơn khi gia công các bề mặt hở. Hình 18: Phay rãnh then bằng dao phay ngón Cũng trong trường hợp gia công bằng dao phay trụ và dao phay mặt đầu, chiều quay của dao và hướng của rãnh xoắn cần phải ngược nhau, vì trong trường hợp đó thành phần lực cắt hướng trục sẽ hướng vào trục chính và siết chặt dao hơn. Các công dụng khác của dao phay ngón: ngoài việc gia công bậc và rãnh, dao phay ngón còn được sử dụng để gia công các bề mặt khác nhau trên máy phay đứng và máy phay ngang. Ví dụ: dao phay ngón để gia công các mặt hở nằm ngang, đứng và nghiêng. 2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát 2.2.1. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trượt Theo Arnell cả ma sát và mòn đều phục thuộc vào kiểu biến dạng tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô, tức là phục thuộc vào chỉ số biến dạng dẻo hoặc độ cứng hoặc mô đun đàn hồi. Lớp phủ có thể làm thay đổi cả kiểu và mức độ biến dạng ở chỗ tiếp xúc vì lớp phủ và nền đã tạo nên một hệ composite. Điều này tạo ra những thay đổi vô cùng quan trọng trong hệ thống ma sát, mòn và bôi trơn. Komvopoulos và đồng nghiệp đã tiến hành thí nghiệm về mòn của đầu phủ TiN và đĩa, họ thấy rằng biến dạng tại chỗ tiếp xúc trượt chủ yếu là đàn hồi khi lớp phủ chưa bị vỡ và mòn hầu như bằng không. Holmberg cho rằng tỷ số độ cứng của lớp phủ và nền là một thông số rất quan trọng ảnh hưởng tính chất ma sát của bề mặt phủ với bề mặt đối tiếp. - 28 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Theo công thức: Lực ma sát : F = Ar . = o W. ; Hệ số ma sát trượt: f = W F = o = o o Để giảm F thì cả Ar và đều phải nhỏ, nghĩa là nền phải cứng và lớp phủ phải mềm. Lớp phủ có độ cứng cao sẽ không có tác dụng giảm ma sát trừ khi một lớp màng mỏng có sức bền cắt thấp hình thành trên bề mặt của lớp phủ, hoặc trên đỉnh các nhấp nhô. Theo các nghiên cứu trước, lớp màng mỏng trên bề mặt lớp phủ có thể hình thành do tương tác hoá học với thép trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao và cao. Hệ số ma sát trượt giữa TiN và thép thay đổi trong khoảng 0,01 đến 0,6 có thể giải thích sự tạo thành và không tạo thành lớp màng mỏng trên bề mặt tiếp xúc chung. Lớp màng mỏng Fe2O3 và TiO2 đã được phát hiện trong các nghiên cứu của Holmberg khi quan sát đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN. Hendenqvist và Olsson đã phát hiện lớp màng mỏng Silica tạo thành trên bề mặt lớp phủ khi dùng đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN. Holmgerg cho rằng, lớp phủ cứng có khả năng ngăn cản các nhấp nhô bề mặt đâm sâu vào nhau và cào xước lên nhau dẫn đến giảm ma sát và mòn. Tuy nhiên, Van Stappen cho rằng lớp phủ chỉ có khả năng giảm thành phần cào xước của lực ma sát nếu như các hạt cứng trong vật liệu đối tiếp nhỏ đáng kể so với chiều dày của lớp phủ. Độ cứng cao của lớp phủ còn có tác dụng giảm thành phần biến dạng của lực ma sát. Ví dụ: Độ cứng của TiN là 2200-2500kg/mm2; của TiCN là 2800-3200kg/mm2 cao hơn rất nhiều so với độ cứng của thép ở trạng thái ủ. Vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tương tác ma sát của hệ phủ. Các thí nghiệm về ma sát giữa thép và một số lớp phủ PVD của Konig và Kammerleier cho thấy rằng khi tăng vận tốc trượt tương đối hệ số ma sát giảm đối với tất cả các hệ. Nguyên nhân là do nhiệt độ cao sinh ra ở chỗ tiếp xúc khi tăng vận tốc trượt tương đối làm giảm sức bền của thép ở vùng bề mặt. - 29 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ví dụ: Khi vận tốc trượt nhỏ (khoảng 7m/s) hệ số ma sát của thép với TiAlN là lớn nhất trong ba hệ phủ TiAlN, TiN và TiCN do cấu trúc bề mặt của TiAlN không mịn như TiN và TiCN nên thành phần cào xước của lực ma sát chiếm ưu thế. Nhưng khi tăng vận tốc trượt thì hệ số ma sát của TiAlN với thép trở nên nhỏ nhất. Có thể thấy rằng lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát do độ cứng cao của lớp phủ làm giảm các thành phần cào xước và biến dạng dẻo của lực ma sát, hơn nữa tương tác hoá học giữa hai bề mặt đối tiếp tạo nên một lớp màng tiếp xúc có sức bền cắt thấp là nguyên nhân làm giảm ma sát gữa hai bề mặt. 2.2.2. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại Lớp phủ trên bề mặt dụng cụ có tác dụng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, chủ yếu là giảm dính do độ cứng cao và tính trơ hoá học cao của lớp phủ làm tăng góc tạo phoi dẫn tới giảm kích thước lẹo dao và loại trừ lẹo dao ở tốc độ cắt thấp hơn như hình 19. Hình 19: a. So sánh quá trình tạo phoi khi cắt bằng dao phủ TiN và dao không phủ b. Đồ thị biểu diễn thể tích của lẹo dao khi cắt thép 1045 Từ hình 19 có thể thấy rằng lớp phủ cứng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước, chiều dày của phoi dẫn đến tăng góc tạo phoi và làm cho vùng tiếp xúc trên mặt trước tiến gần lưỡi cắt hơn. Hình 19 cho thấy TiN có khả năng loại trừ lẹo dao tốt nhất so với TiC và oxide. Ở vận tốc cắt trên 50 m/phút lẹo dao hầu như bị loại trừ. Nghiên cứu của Konig chỉ ra rằng tính chất nhiệt của lớp phủ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo phoi. Nhiệt độ cao trên mặt trước và khả năng dẫn nhiệt kém - 30 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên của lớp phủ sẽ làm giảm sức bền cắt của thép các bon. Ở trạng thái như thế biến dạng dẻo xảy ra trước, làm phoi tách ra khỏi phôi dễ hơn dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dày của phoi. Ngược lại khi lớp phủ có hệ số dẫn nhiệt cao sẽ làm cho quá trình tạo phoi khó khăn hơn. Ví dụ: TiCN có hệ số dẫn nhiệt 36W-1.K-1 lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của TiN (19W -1 .K -1 ) sẽ làm giảm góc tạo phoi và tăng chiều dày của phoi. Nguyên nhân là do nhiệt thoát nhanh từ mặt trước vào dụng cụ làm giảm nhiệt độ ở mặt dưới của phoi làm cho quá trình thoát phoi trở lên khó khăn hơn. Trong thí nghiệm của Konig chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước tăng từ dao phủ TiAlN đến TiN đến TiCN tương ứng với sự tăng của lực cắt lên 20% của dao phủ TiN và 33% của dao phủ TiCN so với dao phủ TiAlN. Sau này Konig và Kêmmrmeier cho rằng hệ số thẩm nhiệt thấp của lớp phủ xác định theo công thức: b2 = c. . (b: hệ số thẩm nhiệt, c: nhiệt dung riêng, : tỷ trọng, : hệ số dẫn nhiệt) mới là yếu tố làm tăng góc tạo phoi và giảm chiều dày của phoi. Có thể thấy rằng tính trơ hoá học và tính chất nhiệt đặc biệt của vật liệu phủ có ảnh hưởng rất lớn đến tương tác ma sát trên mặt trước và quá trình tạo phoi. 2.2.3. Ảnh hưởng của tạp chất trong thép đến tương tác ma sát trong cắt kim loại Các tạp chất phi kim loại trong thép có ảnh hưởng rất lớn đến tính gia công với mức độ khác nhau phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, sự phân bố và tỷ trọng của chúng. Các nguyên tố như lưu huỳnh, silíc, phốt pho vv… có ảnh hưởng lớn đến hình dạng, kích thước và đặc tính của các tạp chất làm thay đổi tính gia công. Phốt pho và lưu huỳnh có tác dụng tăng tính gia công, silíc làm giảm tính gia công. Các nguyên tố khác như các bon và mangan có tác dụng làm tăng sức bền của thép và làm giảm tính gia công. Theo Trent, Optiz và Kankaanpaa, tạp chất trong thép có tác dụng tạo ra lớp đọng MnS và silicate như một lớp bôi trơn giữa phoi và mặt trước của dụng cụ có tác dụng giảm mòn. Ngược lại, Liesling và Shaw lại cho rằng tạp chất (như MnS) không đóng vai trò là chất bôi trơn theo cách nghĩ thông thường bởi vì hàm lượng lưu huỳnh càng cao thì hệ số ma sát trung bình trên mặt trước càng lớn. Kiesling - 31 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên cũng phát hiện các tạp chất MnS nhỏ có tác dụng làm tăng ma sát trên mặt trước của dụng cụ, bởi vì các tạp chất nhỏ thường có khuynh hướng khó bị biến dạng hơn các tạp chất lớn và do đó không có khả năng tạo nên những vùng dễ biến dạng dẻo trong vùng biến dạng thứ hai. Theo ông thì MnS có hai tác dụng đó là giảm biến dạng trong vùng mặt phẳng trượt (tác dụng khối) và tăng ma sát trên mặt trước (tác dụng bề mặt). Trong các điều kiện cắt thông thường tác dụng thứ nhất chiếm ưu thế, tuy nhiên khi vận tốc cắt thấp và lượng chạy dao nhỏ thì tác dụng thứ hai chiếm ưu thế. Cho đến nay một số nghiên cứu đã phát hiện được sự tồn tại của lớp đọng tạp chất trên mặt trước của dao và ảnh hưởng của nó tới tuổi bền. Milovic đã quan sát được lớp đọng MnS trên mặt trước của dao thép gió phủ TiN dùng cắt thép các bon dễ gia công với tốc độ cắt 75m/phút. Lớp đọng này làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước và có tác dụng tăng tuổi bền của dao. Palmai cũng khẳng định được sự hình thành lớp đọng trên mặt trước với thành phần hoá học gồm MnS và silicate khi cắt thép C45 bằng dao thép gió M2 phủ TiN với tốc độ cắt 45m/phút có tác dụng tăng tuổi bền. Kankaanpaa đã tìm thấy lớp đọng chứa các nguyên tố như Mangan, silic, lưu huỳnh và canxi trên mặt trước của dụng cụ thép gió phủ TiN khi cắt thép khử ôxy bằng calcium. Sự tồn tại của lớp đọng này làm tăng tuổi bền của dụng cụ. Tóm lại việc hình thành lớp đọng phi kim loại trên mặt trước của dao hợp kim cứng, ceramic và phủ làm thay đổi tương tác ma sát trên mặt trước dẫn đến tăng hoặc giảm tuổi bền của dụng cụ. 2.3. Chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ 2.3.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt Bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau. Bề mặt kim loại có thể được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặc tính khác nhau. Để xác định đặc trưng của bề mặt ta cần biết mô hình và định luật kim loại nguyên chất không có tương tác với môi trường khác và sự khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong. Sau đó - 32 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trường để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực. 2.3.2. Bản chất của lớp bề mặt Bề mặt vật rắn hay chính xác là một mặt phân cách rắn - khí hay rắn - lỏng có cấu trúc và tính chất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, phương pháp tạo nên bề mặt đó và tương tác giữa bề mặt đó với môi trường xung quanh. Các tính chất của bề mặt vật rắn rất quan trọng đối với tương tác bề mặt, bởi vì tính chất bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới diện tích tiếp xúc thực, ma sát, mòn và bôi trơn. Hơn nữa các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng khác nhau như: Quang học, nhiệt, điện, sơn và trang trí…Bề mặt vật rắn, bản thân nó bao gồm vài vùng có tính chất cơ, lý khác nhau với vật liệu khối bên trong đó là lớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tương tác hoá học, lớp Beibly, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là lớp vật liệu nền. Hình 20: Chi tiết bề mặt vật rắn 2.3.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt - Lớp biến dạng Dưới tác động của quá trình tạo hình các tính chất của lớp bề mặt kim loại, hợp kim hay ceramics có thể thay đổi đáng kể so với vật liệu khối bên trong. Ví dụ: Trong quá trình ma sát giữa hai bề mặt sau khi gia công cơ, các lớp bề mặt dưới tác động của lực và nhiệt độ sẽ bị biến dạng dẻo, lớp biến dạng này còn gọi là lớp biến dạng cứng là một bộ phận quan trọng của vùng bề mặt. Ứng suất dư trong lớp biến dạng dẻo có thể có ảnh hưởng tới sự làm việc ổn định cũng như kích thước chi tiết. - 33 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chiều dày của lớp biến dạng dẻo phụ thuộc vào hai yếu tố: Công hoặc năng lượng của quá trình biến dạng và bản chất của vật liệu. Chiều dày của lớp này thường từ 1 đến 100 m tuỳ theo mức độ biến dạng cũng như tốc độ biến dạng. Kích thước hạt trong các lớp biến dạng dẻo này thường rất nhỏ do bị biến dạng với tốc độ cao kèm theo quá trình kết tinh lại. Hơn nữa các tinh thể và hạt tại bề mặt tiếp xúc chung tự định hướng lại trong quá trình trượt giữa hai bề mặt. - Lớp Beibly Lớp Beibly trên bề mặt kim loại là hợp kim được tạo nên do sự chảy và biến dạng dẻo bề mặt, do biến dạng và tốc độ biến dạng lớn của các lớp phân tử bề mặt trong quá trình gia công cơ, sau đó cứng lên nhờ quá trình tôi do nền vật liệu khối có nhiệt độ thấp. Lớp Beibly có cấu trúc vô định hình hoặc đa tinh thể có chiều dày từ 1 đến 100 m. Các nguyên công gia công như mài nghiền, đánh bóng có thể giảm chiều dày của lớp này. - Lớp tương tác hoá học Trừ một số các kim loại hiếm như vàng và bạch kim, tất cả các kim loại đều phản ứng với oxy để tạo nên oxides trong không khí. Trong các môi trường khác chúng có thể tạo nên các lớp nitrides sulfides hay chlorides. Lớp ôxy hoá có thể tạo thành trong quá trình gia công cơ hay ma sát. Nhiệt sinh ra trong quá trình tạo hình hoặc ma sát làm tăng tốc độ ôxy hoá và tạo nên nhiều loại oxides khác nhau. Khi cặp đôi ma sát hoạt động trong không khí phản ứng có thể xảy ra giữa các lớp oxides của hai bề mặt. Sự tồn tại của chất bôi trơn và chất phụ gia có thể tạo nên các lớp oxides bảo vệ bề mặt quan trọng. Lớp ôxy hoá có thể gồm một hay nhiều lớp thành phần. Sắt có thể tạo thành oxides sắt với hỗn hợp các oxides Fe2O4, Fe2O3 và lớp FeO trong cùng. Với hợp kim, lớp oxides bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài oxides, một số oxides có tác dụng bảo vệ không cho quá trình ôxy hoá tiếp tục xảy ra như trên bề mặt của nhôm và titan. - Lớp hấp thụ hoá học - 34 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bên ngoài lớp tương tác hoá học, các lớp hấp thụ có thể hình thành trên cả bề mặt kim loại và á kim. Lớp hấp thụ hoá học được hình thành trên cơ sở sử dụng chung các electrons, hoặc trao đổi các electrons giữa các lớp hấp thụ và bề mặt vật rắn. Trong lớp này tồn tại liên kết rất mạnh giữa bề mặt chất rắn và chất hấp thụ thông qua liên kết cộng hoá trị, vì thế để làm sạch lớp này cần có một năng lượng tương ứng với năng lượng tạo nên liên kết hoá học (10 - 100Kcal/mol). Năng lượng này phụ thuộc vào cả tính chất hoá học của bề mặt vật rắn và các tính chất hấp thụ. - Lớp hấp thụ vật lý Bên ngoài lớp hấp thụ hoá học là lớp hấp thụ vật lý, chủ yếu là các thành phần từ hơi nước, ôxy, hydrô các bon trong không khí tồn tại dưới dạng đơn hoặc đa phân tử với chiều dày khoảng 3nm. Các lớp màng dầu mỡ trên bề mặt cũng thuộc loại lớp hấp thụ vật lý. Ở đây không tồn tại việc dùng chung hoặc trao đổi electrons giữa các phân tử vật rắn và chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ vật lý liên quan đến lực Vander Woals. Các lực này rất yếu so với lực tương tác trong không khí trơ ở trạng thái lỏng. Để làm sạch các lớp hấp thụ này cần rất ít năng lượng (1 - 2Kcal/mol) hơn nữa trong môi trường chân không cao (khoảng 10-8Pa) lớp này không tồn tại trên các bề mặt các chất rắn. 2.3.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công cơ Chất lượng của chi tiết được đánh giá bằng những tiêu chuẩn về hình dạng hình học thực tế của bề mặt gia công, độ chính xác kích thước và đặc tính cơ lý của lớp bề mặt. Đặc tính cơ lý của lớp bề mặt ở đây được hiểu là những sai lệch so với tính chất cơ lý của vật liệu gia công ban đầu. Thực tế chứng tỏ rằng chất lượng bề mặt chi tiết gia công (chủ yếu là độ nhấp nhô và tính chất cơ lý) quyết định tính chất sử dụng của chi tiết bởi vì các chi tiết thường bị hư hỏng từ lớp bề mặt và do đó phụ thuộc vào các nguyên công cuối. 2.3.4.1. Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá - Độ nhám bề mặt - 35 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong thực tế sản xuất nhiều khi người ta đánh giá độ nhám theo các mức độ: Thô (cấp 1 - cấp 4), bán tinh (cấp 5 - cấp 7), tinh (cấp 8 - cấp 11) và siêu tinh (cấp 12 - cấp 14). - Phương pháp đánh giá nhám bề mặt Để đánh giá nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau đây: - Phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich). Phương pháp này đo được bề mặt có độ nhẵn bóng cao (độ nhám thấp) thường từ cấp 10 đến cấp 14. - Phương pháp đo độ nhám Ra, Rz, RMax…bằng máy đo profin. Phương pháp này sử dụng mũi dò để đo profin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn tới cấp 11. Đây là phương pháp được tác giả sử dụng sau khi phay các thí nghiệm. - Phương pháp so sánh, có thể so sánh theo hai cách: + So sánh bằng mắt + So sánh bằng kính hiển vi quang học. 2.3.4.2. Độ sóng bề mặt Chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt chi tiết gia công được quan sát trong khoảng lớn tiêu chuẩn (từ 1 đến 10mm) được gọi là độ sóng bề mặt. Nguyên nhân xuất hiện độ sóng bề mặt là do rung động của hệ thống công nghệ (Máy - Đồ gá - Dao - Chi tiết gia công), do quá trình cắt không liên tục, độ đảo của dụng cụ cắt…Thông thường độ sóng bề mặt xuất hiện khi gia công các chi tiết có kích thước vừa và lớn bằng các phương pháp tiện, phay và mài. 2.3.4.3. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công được đánh giá bởi các chỉ tiêu chủ yếu sau đâu: - Mức độ cứng nguội. - Chiều sâu cứng nguội. - Trị số, chiều sâu và dấu của ứng suất dư ở lớp bề mặt. * Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt Trong quá trình gia công cơ dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của lớp kim loại bề mặt bị xô lệch và gây biến dạng dẻo ở vùng trước và vùng sau lưỡi cắt. - 36 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phoi được tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng trượt. Trong vùng cắt, thể tích riêng của kim loại tăng, còn mật độ kim loại giảm làm xuất hiện ứng suất. Khi đó nhiều tính chất của lớp bề mặt thay đổi như giới hạn độ bền, độ cứng, độ giòn được nâng cao, ngược lại tính dẻo dai lại giảm…Kết quả là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao. Mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các phương pháp gia công và các thông số hình học của dao. Cụ thể là phụ thuộc vào lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và nhiệt độ trong vùng cắt. Lực cắt làm cho mức độ biến dạng dẻo tăng, kết quả là mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt tăng. Nhiệt sinh ra ở vùng cắt sẽ hạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt. Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động giữa hai yếu tố lực cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt. Khả năng tạo ra mức độ và chiều sâu biến cứng lớp bề mặt của các phương pháp gia công khác nhau được thể hiện trong bảng sau: Phƣơng pháp gia công Mức độ biến cứng (%) Chiều sâu lớp biến cứng ( m) 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 các bon 160 - 200 30 - 60 Mài tròn ngoài thép sau nhiệt luyện 125 - 130 20 - 40 Mài phẳng 150 16 - 25 Bảng 7: Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công cơ - 37 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 21: Sơ đồ tạo thành lớp cứng nguội của bề mặt gia công Khi gia công lớp bề mặt chịu biến dạng phụ vì những nguyên nhân sau: - Do lưỡi cắt của dao bao giờ cũng có một bán kính cong nhất định nên khi bắt đầu cắt, sự tiếp xúc của dao và chi tiết sẽ bắt đầu từ điểm A. Dao càng đi sâu vào chi tiết thì điểm có ứng suất lớn nhất càng hạ thấp và khi quá trình cắt đã ổn định thì chiếm vị trí B (nằm ngay trên mặt trượt). Do đó chỉ một lớp kim loại có chiều dày a nằm trên đường BC là được cắt thành phoi. Lớp kim loại loại nằm dưới đường BC không bị cắt mà bị nén, do đó chịu biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo nghĩa là bị cứng nguội. - Sau khi mũi dao đi qua, lớp bề mặt do sự đàn hồi được nâng cao một chiều cao h, do đó gây ra áp lực pháp tuyến và ma sát với mặt sau của dao. Do kết quả của ma sát nên một lớp mỏng bề mặt lại chịu biến dạng thêm. Nếu bán kính cong của dao càng lớn, diện tích tiếp xúc giữa mặt sau của của dao và chi tiết gia công càng tăng thì ma sát càng lớn và mức độ biến dạng của lớp bề mặt càng tăng. Kết quả cứng nguội là các tinh thể kim loại bị nát vụn khiến cho lớp bề mặt trở nên bền và cứng hơn. Những vật liệu khó gia công, có độ dẻo cao thì khi gia công chúng hiện tượng cứng nguội xảy ra với mức độ cao hơn so với thép kết cấu. Ví dụ: Khi gia công thép chịu nóng 437A, chiều sâu cứng nguội lớn hơn 3 lần so với khi gia công thép 45. Bề mặt được gia công xong nếu như không có khuyết tật gì thì hiện tượng cứng nguội có tác dụng tốt. Trong trường hợp ngược lại thì giới hạn bền mỏi của chi tiết sẽ giảm đi và tuổi thọ của chi tiết sẽ hạ thấp. Mặt khác hiện tượng cứng nguội còn gây khó khăn cho các nguyên công gia công tinh. - 38 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ví dụ: nếu một lỗ sau khi khoan xong cần doa với lượng dư rất bé thì lúc đó lưỡi cắt của dao doa phải làm việc trong giới hạn của lớp cứng nguội, vì thế dao doa chóng bị mòn và bề mặt gia công không thể đạt được độ bóng cao. Ngoài ra lớp cứng nguội thu được khi gia công thô còn làm cho chi tiết bị cong vênh nhiều hơn khi mang chi tiết đi nhiệt luyện. Tính chất vật liệu gia công, chế độ cắt, hình dạng hình học của dao và các thông số cắt khác đều ảnh hưởng đến mức độ và chiều sâu cứng nguội theo một quy luật như khi ảnh hưởng đến biến dạng dẻo. Khi tăng tốc độ cắt thì mức độ và chiều sâu cứng nguội giảm. Lượng chạy dao ảnh hưởng đến cứng nguội nhiều hơn là chiều sâu cắt. Sự mài mòn của dao có ảnh hưởng lớn nhất đến cứng nguội. Dao càng bị mòn thì bán kính cong của lưỡi dao càng tăng, do đó biến dạng dẻo càng tăng khiến cho mức độ và chiều sâu cứng nguội càng lớn. Qua nghiên cứu bằng mô hình nhiệt cắt đồng thời tiến hành thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến chiều sâu lớp biến cứng (lớp trắng) trong tiện cứng của Kenvin Chou và Hui Song kết quả đều cho thấy chiều sâu của lớp biến cứng phụ thuộc vào bán kính mũi dao. Khi dao còn mới (dao chưa bị mòn), chiều sâu lớp biến cứng giảm khi tăng bán kính mũi dao do chiều dày lớp phoi không được cắt nhỏ. Tuy nhiên khi dao bị mòn nhiều thì chiều sâu lớp trắng lại tăng theo bán kính mũi dao bởi vì khoảng cách giữa lưỡi cắt và bề mặt gia công là nhỏ hơn. * Ứng suất dư trong lớp bề mặt Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện tượng chuyển pha trong cấu trúc kim loại, quá trình này diễn ra phức tạp. Ứng suất dư lớp bề mặt được đặc trưng bởi trị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư. Trị số và dấu phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ và dung dịch trơn nguội. + Các nguyên nhân chủ yếu gây ra ứng suất dư là: - 39 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Khi gia công trường lực xuất hiện gây biến dạng dẻo không đều trong lớp bề mặt. Khi trường lực mất đi biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt. - Biến dạng dẻo làm tăng thể tích riêng của lớp kim loại mỏng ngoài cùng. Lớp kim loại bên trong vẫn giữ thể tích riêng bình thường do đó không bị biến dạng dẻo. Lớp kim loại ngoài cùng gây ứng suất dư nén còn lớp kim loại bên trong sinh ra ứng suất dư kéo để cân bằng. - Nhiệt sinh ra ở vùng cắt lớn sẽ nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt làm mô đun đàn hồi của vật liệu giảm. Sau khi cắt, lớp vật liệu này sinh ra ứng suất dư kéo do bị nguội nhanh và co lại, để cân bằng thì lớp kim loại bên trong phải sinh ra ứng suất dư nén. - Trong quá trình cắt thể tích kim loại có sự thay đổi do kim loại bị chuyển pha và nhiệt sinh ra ở vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu. Lớp kim loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dư nén và ngược lại sẽ sinh ra ứng suất dư kéo để cân bằng. + Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư trong lớp bề mặt của chi tiết sau gia công cơ như sau: - Tăng tốc độ cắt V hoặc tăng lượng chạy dao S có thể làm tăng hoặc giảm ứng suất dư. - Lượng chạy dao S làm tăng chiều sâu của ứng suất dư. - Góc trước âm gây ra ứng suất dư nén - ứng suất dư có lợi. - Khi gia công vật liệu giòn bằng dụng cụ cắt có lưỡi gây ra ứng suất dư nén còn vật liệu dẻo thường gây ứng suất dư kéo. Ứng suất nén trong lớp bề mặt làm tăng độ bền mỏi của chi tiết, còn ứng suất dư kéo lại làm giảm độ bền mỏi. Ví dụ: Chi tiết được làm từ thép, khi trên bề mặt có ứng suất dư nén thì độ bền mỏi có thể tăng lên 50%, còn khi có ứng suất dư kéo thì giảm 30%. * Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư + Đánh giá mức độ và chiều sâu lớp biến cứng - 40 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Để đánh giá mức độ và chiều sâu lớp biến cứng người ta chuẩn bị một mẫu rồi đưa mẫu này lên kiểm tra ở máy đo độ cứng. Nguyên lý kiểm tra như sau: dùng đầu kim cương tác động lên bề mặt lực P sau đó xác định diện tích bề mặt mẫu do đầu kim cương đâm xuống. Độ biến cứng được xác định theo công thức: Hv = P/S Trong đó: Hv là độ biến cứng (N/mm2) P là lực tác dụng của đầu kim cương (N) S là diện tích bề mặt mẫu do đầu kim cương đâm xuống Để đo chiều sâu biến cứng người ta dùng đầu kim cương tác động lần lượt xuống bề mặt mẫu từ ngoài vào trong. Sau mỗi lần tác động lại xác định diện tích bị lún S cho đến khi diện tích S không thay đổi thì dừng lại và đo được chiều sâu biến cứng. + Đánh giá ứng suất dư. Để đánh giá (xác định) ứng suất dư người ta thường sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp tia Rơnghen: dùng tia kích thích trên bề mặt mẫu một lớp dày 5 - 10 m và sau mỗi lần kích thích ta chụp ảnh đồ thị Rơnghen. Phương pháp này cho phép đo được cả chiều sâu biến cứng. Tuy nhiên, phương pháp này rất phức tạp và tốn nhiều thời gian cho việc điều chỉnh đồ thị Rơnghen (mất khoảng 10 giờ cho một lần đo). - Phương pháp tính toán lượng biến dạng: Sau khi hớt từng lớp mỏng kim loại bằng phương pháp hoá học và điện cơ khí ta tính toán khối lượng biến dạng của chi tiết mẫu. Dựa vào lượng biến dạng này ta xác định được ứng suất dư. Cũng có thể dùng tia Rơnghen để đo khoảng cách giữa các phần tử trong lớp kim loại biến dạng và không biến dạng, với khoảng cách này có thể xác định được ứng suất dư. 2.3.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ 2.3.5.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt Trebưsep đã đưa ra công thức biểu thị mối quan hệ giữa Rz với S, r và hmin như sau: - 41 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Khi S > 0,15 mm/vòng: Rz = S 2 /8r - Khi S < 0,1 mm/vòng: Rz = S 2 /8r + hmin/2 . (1 + r. hmin/S 2 ) Ở đây hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r. Hình 22: Ảnh hưởng của các thông số hình học của dao đến độ nhám bề mặt Tuy nhiên, khi lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì trị số của Rz lại tăng. Nguyên nhân do S nhỏ hơn bán kính mũi dao nên xảy ra hiện tượng trượt của mũi dao trên bề mặt gia công. Vì thế khi gia công tinh nếu sử dụng S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa cải thiện chất lượng bề mặt. 2.3.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt Tốc độ cắt có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhám bề mặt Hình 23: Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi gia công thép Khi gia công thép các bon ở tốc độ cắt thấp, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp kim loại không đều vì vậy độ nhám bề mặt thấp. Khi tăng 1 20 100 200 V (m/phút) 0 R z - 42 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên tốc độ cắt lên khoảng 15 - 20 m/phút thì nhiệt cắt và lực cắt đều tăng gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trước và mặt sau của dao kim loại bị chảy dẻo. Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trước và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao. Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công. Nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, vùng kim loại bị phá huỷ, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi (lẹo dao biến mất ứng với tốc độ cắt trong khoảng 30 - 60 m/phút). Với tốc độ cắt lớn (lớn hơn 60 m/phút) thì lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề mặt gia công giảm. 2.3.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao Lượng chạy dao ngoài ảnh hưởng mang tích chất hình học còn ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công làm cho độ nhám thay đổi. Hình 24 biểu diễn mối quan hệ giữa lượng chạy dao S với nhám Rz khi gia công thép các bon. Hình 24: Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt Khi gia công với lượng chạy dao 0,02 - 0,15 mm/vòng thì bề mặt gia công có độ nhám giảm. Nếu S < 0,02 mm/vòng thì độ nhám tăng lên (độ nhẵn bóng bề mặt giảm xuống) vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của các yếu tố hình học. Nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi đồng thời kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học làm tăng độ nhám bề mặt. 2.3.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 0 0,02 0,15 S (mm/phút) R z - 43 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt là không đáng kể. Tuy nhiên nếu chiều sâu cắt qúa lớn dẫn đến rung động trong quá trình cắt tăng lên, do đó độ nhám bề mặt tăng. Ngược lại, chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm cho dao bị trượt trên bề mặt gia công và xảy ra hiện tượng cắt không liên tục do đó lại làm tăng độ nhám bề mặt. Hiện tượng gây trượt dao thường ứng với giá trị của chiều sâu cắt trong khoảng 0,02 - 0,03 mm. 2.3.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công Vật liệu gia công ảnh hưởng đến tính gia công chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo. Vật liệu dẻo và dai (thép ít các bon…) dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho nhám bề mặt tăng hơn so với vật liệu cứng và giòn. 2.3.5.6. Ảnh hưởng của rung động hệ thống công nghệ Quá trình rung động hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công dẫn đến làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng và nhám trên chi tiết gia công. 2.4. Mòn và tuổi bền của dụng cụ 2.4.1. Bản chất vật lý của quá trình cắt 2.4.1.1. Cơ chế tạo phoi Quá trình cắt kim loại thực chất là sử dụng dụng cụ hình chêm để hớt đi một lớp kim loại từ phôi. Tác dụng lực cắt sinh ra từ dụng cụ sẽ tạo ra bề mặt gia công và phoi. Hình 25: Mô hình vùng tác động trong quá trình tạo phoi - 44 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Quá trình tạo phoi được phân tích bao gồm: - Vùng 1: Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu nằm trước mũi dao được giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vật liệu phôi. Dưới tác dụng của lực tác động trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo (còn gọi là vùng biến dạng thứ nhất). Khi ứng suất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện hiện tượng trượt và phoi được hình thành. Trong qúa trình cắt, vùng tạo phoi 1 luôn di chuyển cùng với dao. - Vùng 2: Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao. - Vùng 3: Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt sau của dao. - Vùng 4: Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi để hình thành phoi. Muốn tạo ra phoi phải tác động lên phôi thông qua dụng cụ cắt một lực chủ động nhằm: - Tạo ra trong kim loại ở vùng biến dạng dẻo thứ nhất ứng suất vượt quá giới hạn bền của vật liệu gia công. - Thắng được lực cản ma sát xuất hiện do sự biến dạng của bản thân vật liệu cũng như giữa vật liệu với các mặt phẳng của dao. 2.4.1.2. Ma sát trong quá trình cắt kim loại Lực ma sát xuất hiện trong mặt phẳng trượt do sự trượt của lớp vật liệu tách ra để tạo thành phoi. Lực ma sát xuất hiện do sự chuyển động tương đối giữa lớp vật liệu mặt sau của phoi với mặt trước của dao cũng như do ma sát tiếp xúc giữa vật liệu phôi với mặt sau của dao trong mặt phẳng cắt. Đặc tính tiếp xúc của cặp ma sát dao với phoi và dao với phôi là cặp ma sát của hai bề mặt luôn luôn mới. Ta biết rằng trong gia công cắt gọt thì phoi và bề mặt gia công liên tục được tạo ra và chúng trượt trên mặt trước và mặt sau của dao. Do vậy dạng tiếp xúc trong vùng tạo phoi luôn ổn định. - 45 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 26: Vùng tiếp xúc ma sát giữa dao và chi tiết gia công 2.4.1.3. Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ Khi cắt phoi tác dụng lên mặt trước sinh ra lực pháp tuyến N, phoi chuyển động trên mặt trước sinh ra lực ma sát: F1 = 1.N1 Trong đó: 1 là hệ số ma sát trung bình trên mặt sau. Hướng của lực ma sát F1 trung với quỹ đạo chuyển động. Lực tác dụng lên mặt sau gọi là lực bị động R2. Hình 27: Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ Tổng hình học của lực N, F, N1, F1 là lực tác dụng lên dụng cụ cắt, lực cắt P. P  = N  + 1N  + F + 1F  Lực ma sát F trên mặt trước có thể thành lực pháp tuyến với lưỡi cắt FN và lực có hướng dọc theo lưỡi cắt FT do đó: P  = N  + 1N  + NF  + TF  + 1F  - 46 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trị số lực P và vị trí của nó trong không gian được xác định bằng trị số và tỷ lệ các lực pháp tuyến và lực ma sát mà những lực này phụ thuộc vào các thông số hình học của dụng cụ cắt cũng như chế độ cắt. Theo các phương x, y, z ta có: P = 222 zyx PPP Trong đó: Pz = Nyz . cos + Ft . sin + F1 Nyz = FN . sin + N . cos FN = F . cos Ft = F . sin 2.4.2. Mòn dụng cụ 2.4.2.1. Khái niệm chung về mòn Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Eyre và Davis định nghĩa mòn liên quan đến về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật liệu cũng là một dạng mòn. Giống như ma sát, mòn không phải là do tính chất của vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mòn ở bề mặt tiếp xúc chung. Sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao. - 47 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn. Theo Shanshal và Dygdale mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công. Konig cho rằng sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt như phủ bay hơi chính là nhằm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ. 2.4.2.2. Các cơ chế mòn của hai bề mặt trượt tương đối Theo Eyer và Davis ma sát và mòn không phải là tính chất thuộc tính của vật liệu mà phụ thuộc vào hệ kỹ thuật trong đó chúng được sử dụng. Ma sát và mòn không hoàn toàn phụ thuộc vào nhau vì ma sát sinh ra do tương tác giữa các nhấp nhô bề mặt có liên quan đến các quá trình cơ, hoá và lý còn mòn lại xảy ra do sự nứt tách trong lòng vật liệu cách bề mặt ma sát một khoảng nào đó. Theo Biswas sự hình thành các hạt mài và hợp chất trong một hệ ma sát, mòn và bôi trơn bắt đầu từ hai quá trình, tương tác về ứng suất và tương tác về vật liệu. Tương tác về ứng suất là tác động tổng hợp của tải trọng và lực ma sát tạo nên các cơ chế mòn như mỏi và mòn bằng hạt mài. Tương tác về vật liệu là tương tác giữa các nguyên tử, phân tử giữa các vật thể hoặc tương tác giữa chúng với môi trường tạo nên các cơ chế mòn liên quan đến tác dụng hoá, lý và dính. Các cơ chế mòn chính thường gặp trong kỹ thuật là mòn do dính, mòn do mỏi, mòn do hạt mài và mòn do tác dụng hoá lý. Theo Shaw mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hoá và mỏi. Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt, tuy nhiên tuỳ theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngoài ra dụng cụ còn bị phá huỷ do mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo. Theo Loffer, trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn phá huỷ. Ở dải vận tốc cắt thấp và trung bình, cơ chế mòn do dính và do hạt mài chiếm ưu thế cho cắt liên tục và gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hoá lý trở lên chiếm ưu thế đối - 48 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên với cắt liên tục và tạo nên vùng mòn mặt trước. Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục. * Mòn do dính Khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, đỉnh các nhấp nhô sẽ bị biến dạng dẻo dưới tác dụng của ứng suất pháp. Khi hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau lớp màng mỏng ôxy hoá và hấp thụ bị phá vỡ và vật liệu ở đỉnh các nhấp nhô tiếp xúc trực tiếp gây dính. Có giả thiết, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác tác dụng của ứng suất nén và tiếp là sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trượt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng. Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có dạng như hình nêm và dính sang bề mặt đối tiếp. Đối với dụng cụ cắt mòn do dính phát triển đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao. Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng thời gian cắt ngắn, hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi. Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của các lớp bề mặt dụng cụ và cường độ dính của nó đối với bề mặt gia công. Cường độ này được đặc trưng bởi hệ số cường độ dính Ka là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ xác định. Với đa số các cặp vật liệu thì Ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 9000C đến 13000C. Bản chất phá huỷ vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo và giòn. Độ cứng của dụng cụ đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính. Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 thì mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần. Dao thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt trước ở nhiệt độ khoảng 9000C. Khi mặt trước của phoi dính chặt vào mặt trước thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trượt của các lớp phoi bị biến cứng cũng đủ để gây ra sự trượt trong các lớp vật liệu dụng cụ trong vùng mòn gây ra mòn dính. - 49 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Loladze và Rabinowicz cho rằng khi hai bề mặt làm từ vật liệu khác nhau trượt tương đối với nhau các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn cũng bị tách ra khỏi vùng bề mặt. Nguyên nhân do sự dính ngẫu nhiên của vùng bề mặt có sức bền bị giảm cục bộ với vùng bề mặt có sức bền cao cục bộ của vật liệu mềm. Archard đã đưa ra mô hình tính toán mòn dính theo công thức sau: Q = k. o3 W Trong đó: Q là lượng mòn trên một đơn vị chiều dài quãng đường trượt [khối lượng/chiều dài]. k là xác suất của một tiếp xúc tạo ra một hạt mòn. o là giới hạn bền của vật liệu mềm hơn. Halling đã chỉ ra công thức tính mòn dính khi kể đến ảnh hưởng lớp màng mỏng tạp chất của Rowe: Q = km(1+ .f 2 ) 1/2 . . o3 W Trong đó: km là hằng số do đôi kim loại trượt và không phụ thuộc vào tính chất của các lớp màng hoặc chất bôi trơn. là hệ số kể đến mức độ khuyết tật của lớp màng, = r m A A . Am là diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại và kim loại. * Mòn do mỏi Theo Bayer mòn do mỏi xảy ra vùng gần bề mặt do vật liệu chịu ứng suất biến đổi theo chu kỳ. Các vết nứt về mỏi xuất hiện, phát triển từ bề mặt và tự cắt nhau tạo nên các hạt mòn. Hiện tượng này xảy ra chủ yếu khi hai bề mặt lăn và va chạm đối với nhau. Halling cho rằng khí các đỉnh nhấp nhô không bị dính hoặc mòn do hạt mài thì sẽ bị biến dạng dẻo. Sau một số lần tiếp xúc đủ lớn nhấp nhô có thể bị phá huỷ do mỏi tạo nên hạt mòn. Lý thuyết mòn do dính không giải thích được tại sao các hạt mòn rời lại được tạo ra, đặc biệt là hạt mòn từ bề mặt cứng hơn. Nhưng - 50 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên lại có thể giải thích bằng quá trình mòn do mỏi. Vì thế Armarego cho rằng hai cơ chế mòn do mỏi và dính đều là bộ phận của một quá trình mòn. Theo Halling cho đến nay chưa có một lý thuyết thoả đáng nào về mỏi được đưa ra. Đối với phần lớn các vật liệu, biến dạng dẻo sinh ra trong mỗi chu kỳ có liện hệ đến số chu kỳ phá huỷ N theo phương trình của Kragelski: ( p fail.2 ) 2 = N. Trong đó: p là độ lớn biến dạng dẻo trong một chu kỳ. fail là biến dạng dẻo giới hạn để phá huỷ khi kéo. Halling cũng đề cập đến phương trình mỏi của Wohler như sau: N = ( S So ) t Trong đó: N là số chu kỳ phá huỷ tại ứng suất S. So là ứng suất phá huỷ trong một chu kỳ ứng suất đơn. t là hằng số biến thiên từ 2 đến 20. Các quan hệ giữa mòn và mỏi, tải trọng và sức bền vật liệu có khuynh hướng phi tuyến, vì thế không thể sử dụng hệ số mòn k như trong mòn do dính và hạt mài. * Mòn do hạt mài Trong nhiều trường hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật, trong một số trường hợp hạt cứng sinh ra và đưa vào hệ thống trượt từ môi trường. Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ra theo vài chế độ. Cày là hiện tượng tạo rãnh do hạt mài cứng trượt và gây ra biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn. Khi các nhấp nhô của bề mặt cứng và ráp hoặc các hạt cứng trượt trên bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách, trong trường hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có độ dai va đập cao, đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trường hợp tải nhẹ nhất, trong trường hợp vật liệu giòn có độ dai va đập thấp mòn xảy ra do nứt tách. - 51 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Mòn dụng cụ cắt do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công như oxides và nitrides hoặc những hạt các bít của vật liệu gia công trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công tạo nên các vết cào xước trên bề mặt dụng cụ. Môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn đến cường độ của mòn do hạt mài. Ví dụ: Khi gia công cắt gọt trong môi trường có tính hoá học mạnh, lớp bề mặt bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn. Armerego cho rằng khả năng chống mòn do hạt mài tỷ lệ thuận với các tính chất đàn hồi và độ cứng của hai bề mặt ở chỗ tiếp xúc. Hình 28: Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt của vật liệu, vết mòn và mặt cắt ngang của nó. Theo Gahr khả năng chống mòn do hạt mài tăng mạnh hơn khi tăng độ cứng đối với kim loại nguyên chất so với thép được nhiệt luyện hoặc ceramics. Tuy nhiên khả năng chống mòn do hạt mài không tăng, thậm chí còn giảm khi tăng độ cứng của một số kim loại có khả năng biến cứng nguội lớn. Vì vậy độ cứng sau chế tạo không đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mài và bề mặt mòn. * Mòn do khuếch tán Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi dây là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công. Colwell đã đưa ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng có sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ 9300C khi cắt bằng dao hợp kim cứng. Điều này - 52 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên liên quan đến một cơ chế mòn khác đó là hiện tượng mòn do khuếch tán, ôxy hoá hoặc sự phân rã hoá học của vật liệu dụng cụ ở các lớp bề mặt. Theo Brierley và Siekman hiện nay mòn do khuếch tán đã được chấp nhận rộng rãi như một dạng mòn quan trọng ở chế độ cắt cao, họ chỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong cấu trúc tế vi của các lớp dưới của phoi thép cắt bằng dao hợp kim cứng chứa nhiều các bon hơn so với phôi. Điều đó chứng tỏ rằng các bon từ các bít volfram đã hợp kim hoá hoặc khuếch tán vào phoi làm tăng thành phần các bon của các lớp này. Min và Youzhen đã phát hiện hiện tượng khuếch tán khi phay hợp kim titan bằng dao phay gắn mảnh hợp kim cứng ở vận tốc cắt 200m/phút. Họ đã quan sát một lớp giàu các bon dọc theo mặt tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ và vật liệu gia công, dưới bề mặt dụng cụ xuất hiện một lớp thiếu các bon. * Mòn do ôxy hoá Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ, các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng. Mòn xảy ra với tốc độ thấp và các hạt mòn ôxits nhỏ được hình thành. Bản chất của cơ chế mòn này là sự bong ra của các lớp ôxy hoá khi đỉnh các nhấp nhô trượt lên nhau. Sau khi lớp ôxy hoá bị bong ra thì lớp khác lại được hình thành theo một quá trình kế tiếp nhau liên tục. Tuy nhiên theo Halling lớp màng ôxits và các sản phẩm của tương tác hoá học với môi trường trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các nhấp nhô. Khi đôi ma sát trượt làm việc trong môi trường chân không thì mòn do dính xảy ra mạnh do lớp màng ôxits không thể hình thành được. 2.4.2.3. Vai trò của lớp phủ cứng trong giảm mòn Lớp phủ cứng có tác dụng chống mòn do hạt mài, lớp phủ PVD-TiN giúp cho dụng cụ phủ chống lại mòn do hạt mài, dính, mỏi và ôxy hoá. TiCN có khả năng chống mỏi tốt nhất, TiAlN có khả năng chống mòn tốt hơn TiN một chút nhưng cả hai đều có khả năng chống mòn khoảng 1/3 của TiCN. TiN là một hợp chất có tính trơ hoá học cao, ở nhiệt độ trên 5500C TiN bắt đầu bị ôxy hoá theo phương trình: 2TiN + 2O2 2TiO2 + N2 - 53 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Khi đó TiN bị rỗ và đổi mầu. Nhiệt độ cao truyền qua lớp phủ tới nền và ôxy hoá bề mặt tiếp xúc chung làm yếu liên kết giữa lớp phủ và nền. Theo nghiên cứu của tập thể tác giả T.L.Banh, Q.T.Phan và D.B.Nguyen, [6]. Nghiên cứu cơ chế mòn của dao phay ngón phủ PVD-TiN. Hình 29: Hình ảnh SEM mòn ở góc và mặt sau trên lưỡi cắt chính dao phay ngón thép gió không phủ (chế độ cắt v = 18,85m/phút, S = 100mm/phút, d = 4mm). Hình 30: Hình ảnh SEM mòn ở góc và mặt sau trên lưỡi cắt chính dao phay ngón thép gió phủ TiCN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm). Hình 31: Hình ảnh SEM mòn mặt sau trên lưỡi cắt chính dao phay ngón thép gió phủ TiCN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm). - 54 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 32: Hình ảnh SEM mòn ở góc trên mặt trước dao phay ngón thép gió phủ TiN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm sau 5 phút) hình (a) (chế độ cắt v = 50,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm sau 7 phút) hình (b) Hình 33: Hình ảnh SEM phá hỏng góc và lưỡi cắt dao phay ngón thép gió phủ TiN (chế độ cắt v = 39,26m/phút, S = 630mm/phút, d = 4mm) hình (a) Ảnh SEM hiển thị rõ ràng biến dạng vùng mũi dao phay ngón thép gió phủ TiN khi nhiệt độ cao (chế độ cắt v = 50,26m/phút, S = 250mm/phút, d = 4mm) hình (b) Trên đây là một số hình ảnh khi phay thép 1045 bằng dao phay ngón thép gió phủ PVD-TiN, [6]. So sánh với dao không phủ ở tốc độ cắt cao kết quả cho thấy chất lượng bề mặt sau gia công tốt hơn và tuổi bền dao đạt cao hơn. Mòn mặt sau là loại mòn chính làm giảm tuổi bền của dụng cụ. Trong nghiên cứu này, các lớp phủ làm giảm lượng mòn và thay đổi cơ chế mòn. Điều quan trọng là khi cắt với tốc độ cắt và lượng chạy dao cao là mòn các góc hoặc mòn lưỡi cắt chính. 2.4.2.4. Mòn dụng cụ và cách xác định * Mòn dụng cụ Trong quá trình cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt của dụng cụ. Mòn là dạng hỏng cơ bản của dụng cụ cắt. Mòn mặt trước và mòn mặt sau là hai dạng mòn thường gặp nhất trong cắt kim loại. Mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp, xảy ra (a) (b) (a) (b) - 55 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên theo hiện tượng lý, hoá ở các bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công. Trong quá trình cắt, áp lực trên các bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với áp lực làm việc của chi tiết máy (khoảng 15 đến 20 lần) và dụng cụ bị mòn theo nhiều dạng khác nhau. Phần cắt của dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mòn theo các dạng sau: - Mòn theo mặt sau, hình 34 (a). - Mòn theo mặt trước, hình 34 (b). - Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau, hình 34 (c). - Mòn tù lưỡi cắt, hình 34 (d).