Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ pcbn sử dụng tiện tinh thép 9xc qua tôi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT TỚI CƠ CHẾ MÒN DỤNG CỤ PCBN SỬ DỤNG TIỆNTINH THÉP 9XC QUA TÔI Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số : 11120611008 Học viên : NGUYỄN THỊ THANH VÂN Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS. PHAN QUANG THẾ THÁI NGUYÊN - 2009 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Họ và tên học viên : NGUYỄN THỊ THANH VÂN Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS. PHAN QUANG THẾ Tên đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi. Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Ngày giao đề tài : Ngày hoàn thành : Khoa đào tạo sau đại học Ts Nguyễn Văn Hùng Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Phan Quang Thế Học viên KS. Nguyễn Thị Thanh Vân LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin trân trọng cảm ơn: Thầy giáo PGS.TS Phan Quang Thế - Thầy hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình của Thầy trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu cũng như những chỉ bảo trong quá trình tôi làm thực nghiệm và viết luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới: Thầy giáo ThS. Lê Viết Bảo – Cô giáo ThS. Nguyễn Thị Quốc Dung đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi được tiến hành thí nghiệm tại xưởng sản xuất và trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn c án bộ phụ trách phòng thí nghiệm Quang phổ khoa Vật lý trường ĐHSP Thái Nguyên; cán bộ phòng kỹ thuật và xưởng Nhiệt luyện công ty phụ tùng số 1; cán bộ, nhân viên xưởng cơ khí nơi tôi tiến hành thực nghiệm; cán bộ phòng thí nghiệm khoa cơ khí – ĐHKTCN đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn Trường Cao đẳng nghề Cơ điện-Luyện kim Thái Nguyên nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi được học tập nâng cao trình độ, mở mang kiến thức. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Thái Nguyên, tháng 4 năm 2009 Học viên Nguyễn Thị Thanh Vân MỤC LỤC Lời cảm ơn Mụclục Danh mục các ký hiệu Danh mục các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ và đồ thị Danh mục các bảng biểu PHẦN MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Nội dung nghiên cứu 2 3. Phương pháp nghiên cứu. 3 4. Dự định kết quả 3 CHƯƠNG I : BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUẢ TRÌNH CẮT VÀ MÒN DỤNG CỤ 4 1.1. Bản chất vật lý 4 1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi 4 1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng 11 1.2. Lực cắt khi tiện 14 1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 14 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 18 1.2.2.1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt 18 1.2.2.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt 20 1.2.2.3. Ảnh hưởng của vât liệu gia công 20 1.2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng 21 1.2.2.5. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r 23 1.2.2.6. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt 24 1.3. Nhiệt cắt 24 1.3.1. Khái niệm chung 24 1.3.2. Trường nhiệt độ 29 1.3.3. Quá trình phát sinh nhiệt 32 1.3.3.1. Nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất 32 1.3.3.2. Nhiệt trên mặt nước (QAC) và trường nhiệt độ 33 1.3.3.3. Nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD) và trường nhiệt độ 34 1.3.3.4. Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt và trường nhiệt độ trong dụng cụ 35 1.4. Kết luận 36 1.5. Mòn dụng cụ cắt 37 1.5.1. Dạng mòn 37 1.5.2. Các cơ chế mòn cơ bản của dụng cụ cắt 41 1.5.2.1 Mòn do dính 42 1.5.5.2. Mòn do hạt mài 43 1.5.5.3. Mòn do khuếch tán 44 1.5.2.4. Mòn do ôxy hóa 45 1.6. Mòn dụng cụ PCBN 45 CHƯƠNG II : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ MÒN DỤNG CỤ PCBN VÀ NHÁM BỀ MẶT 54 2.1. Thí nghiệm 54 2.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm 54 2.1.2. Mô hình thí nghiệm 54 2.1.3. Thiết bị thí nghiệm 55 2.1.3.1. Máy 55 2.1.3.2. Dao 55 2.1.3.3. Phôi 56 2.1.3.4. Chế độ cắt 57 2.1.3.5. Thiết bị đo nhám bề mặt 58 2.1.3.6. Thiết bị phân tích bề mặt và kim tương 58 2.2. Trình tự thí nghiệm 58 2.3. Kết quả thí nghiệm 59 2.3.1. Tương tác ma sát giữ a phoi và mặt trước 59 2.3.2. Tương tác ma sát giữa phoi và mặt sau dụng cụ 64 2.3.3. Kết luận 64 2.4. Mòn dụng cụ PCBN và nhám bề mặt 64 2.4.1. Phân tích thí nghiệm 64 2.4.2. Kết quả thí nghiệm mòn dụng cụ PCBN 65 2.4.3. Thảo luận kết quả 69 2.4.4. Kết luận 71 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC CẮT ĐẾN CƠ CHẾ MÒN DỤNG CỤ PCBN 72 3.1. Nghiên cứu thực nghiệm 72 3.2. Thí nghiệm 72 3.2.1. Thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo 72 3.2.2. Trình tự thí nghiệm 73 3.3. Kết quả thí nghiệm 73 3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm 78 3.5. Phương trình hồi quy 80 3.6. Kết luận 84 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI 85 4.1. Kết luận chung 85 4.2. Phương pháp nghiên cứu tiếp theo 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a: chiều dày lớp kim loại bị cắt ap: chiều dày phoi Kf: mức độ biến dạng của phoi Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao θ : góc trượt r: bán kính mũi dao γ (hayγ n) : góc trước của dao Pz (hay Pc): lực tiếp tuyến khi tiện Py (hay Pp): lực hướng kính khi tiện Px: lực chiều trục khi tiện S: lượng chạy dao (mm/vòng) t: chiều sâu cắt (mm) V: vận tốc cắt (m/phút) Q: tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt QAB = Q1: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt QAC = Q2: nhiệt sinh ra trên mặt trước QAD = Q3: nhiệt sinh ra trên mặt sau Qphoi: nhiệt truyền vào phoi Qdao: nhiệt truyền vào dao Qmôi trường: nhiệt truyền vào môi trường Qphôi: nhiệt truyền vào phôi KAB: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất As: diện tích của mặt phẳng cắt Vs: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt kt: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công β: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi c: nhiệt dung riêng ρ: tỷ trọng của vật liệu RT: hệ số nhiệt khi cắt Ф: góc tạo phoi γm: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước δt: chiều dày của vùng biến dạng thứ hai K: hệ số thẩm nhiệt ΔFc, ΔFt: áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên vùng mòn mặt sau Fcf, Ftf: lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến đo khi mòn dao VBave: chiều cao trung bình của vùng mòn mặt sau τs: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau Kc, Kt: các hệ số thực nghiệm µ: hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt trước µf: hệ số ma sát trên mặt sau b: hệ số truyền nhiệt θo: nhiệt cắt Cl: hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công u: số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt φ: góc nghiêng chính φ1: góc nghiêng phụ Vw: thể tích mòn mặt sau Vcr: thể tích mòn mặt trước KB, KF, KT: các kích thước vùng mòn mặt trước hs: độ mòn giới hạn Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi ......................................................................... 5 Hình 1.2: Miền tạo phoi ................................................................................... 6 Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau .................................. 8 Hình 1.4: Tính góc trượt θ.............................. Error! Bookmark not defined. Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi. Error! Bookmark not defined. Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi ........ Error! Bookmark not defined. Hình 1.7: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với .......... Error! Bookmark not defined. V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô. . Error! Bookmark not defined. Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi .......... Error! Bookmark not defined. và vận tốc cắt ................................................... Error! Bookmark not defined. Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện ................ Error! Bookmark not defined. Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN .. Error! Bookmark not defined. với γ = - 6o và α = 0o. .................................... Error! Bookmark not defined. Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt ........ Error! Bookmark not defined. Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao (BZN6000 – 92% CBN – High CBN) và (BZN8100 – 70% CBN – Low CBN) [13]. . Error! Bookmark not defined. Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt ... Error! Bookmark not defined. Hình 1.14: ....................................................................................................... 28 (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt. ................................................................... 28 (b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại. ......................... 28 Hình 1.15 : Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường ........... 29 phụ thuộc vào vận tốc cắt [6] .......................................................................... 29 Hình 1.16: Trường nhiệt độ khi tiện .............................................................. 30 Đường nét liền: Đường đẳng nhiệt; đường nét đứt: Dòng nhiệt.Dòng nhiệt vuông góc với đường đẳng nhiệt. .................................................................... 30 Hình 1.17: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi - dụng cụ 31 Hình 1.18: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd .. Error! Bookmark not defined. để xác định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi [11]. ........... Error! Bookmark not defined. Hình 1.19: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn .. Error! Bookmark not defined. Hình 1.20 : Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt độ cắt .... Error! Bookmark not defined. 1. Thép austenit mangan 2. Thép Cacbon 3. Gang 4. Nhôm ............... Error! Bookmark not defined. Hình 1.21: Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện.... Error! Bookmark not defined. Hình 1.22: Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ .... Error! Bookmark not defined. Hình 1.23: Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước ................................. 41 và mặt sau – ISO3685 [19].............................................................................. 41 Hình 1.24: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn .... Error! Bookmark not defined. khi cắt liên tục (a) và cắt gián đoạn (b) [23] ... Error! Bookmark not defined. Hình 1.25: Sơ đồ mòn mặt trước và sau của mảnh dao PCBN .............. Error! Bookmark not defined. trên mặt cắt ngang [15] ................................... Error! Bookmark not defined. Hình 1.26: Hình ảnh biến dạng dẻo lưỡi cắt [12].......... Error! Bookmark not defined. (V = 250m/p, S = 0,1mm/v, t = 0,125mm, r = 3,2mm, lưỡi cạnh viền) .. Error! Bookmark not defined. Hình 1.27: Hình ảnh mòn mặt sau dao BZN 8100 và BZN6000 [13] .... Error! Bookmark not defined. Hình 1.28: Vùng tương tác gi ữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ [16]. ......................................................................... Error! Bookmark not defined. Hình 1.29: Sơ đồ đơn giản về quá trình mòn dính trên vùng có lớp đọng của vật liệu gia công [13] ................. Error! Bookmark not defined. Hình 1.30: Độ cứng tế vi của một số loại các bít ở nhiệt độ 20oC [15]. ........ 51 Hình 2.1. Mô hình thí nghiệm…………………………................................54 Hình 2.2. Máy tiện CNC - HTC 2050………………………………………55 Hình 2.3. Mảnh dao PCBN sử dụng trong nghiên cứu ……………………..56 Hình 2.4. Thân dao MTENN 2020 K16 - N………………………………...56 Hình 2.5. Cấu trúc kim cương của thép 9XC sử dụng trong thí nghiệm……57 Hình 2.6. Hình ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN khi cắt với vận tốc cắt 180m/p chụp trên kính hiển vi điện tử……………………………………… 60 Hình 2.7. Hình ảnh phóng to vùng vật liệu gia công dính trên mặt trước của dụng cụ khi cắt với vận tốc cắt 180m/p…………………………………..... 61 Hình 2.8: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN chụp trên kính ............. 63 hiển vi điện tử .............................................................................................. 63 a. Khi cắt với vận tốc cắt 160 m/p sau khi tiện 12,36 phút ...................... 63 b. Khi cắt với vận tốc cắt 140 m/p sau khi tiện 19,72 phút ...................... 63 Hình 2.9: ......................................................................................................... 66 (a): Hình ảnh mòn mặt trước của mảnh dao PCBN sau khi tiện 2,61 phút với các vết biến dạng dẻo bề mặt. ............................................................... 66 (b): Hình ảnh phóng to của (a). ................................................................... 66 (c): Mòn mặt trước của mảnh dao PCBN sau khi tiện 12,36 phút cho thấy bề mặt bị mòn rất ghồ ghề. .......................................................................... 66 (d): Hình ảnh cơ chế mòn mặt trước với sự bóc tách của các lớp vật liệu dụng cụ do dính - mỏi. ................................................................................ 66 Hình 2.10: ....................................................................................................... 67 (a) Mòn mặt sau của mảnh dao PCBN sau khi tiện 7,69 phút cho thấy vật liệu gia công dính trên vùng mòn tương đối phẳng. ................................... 67 (b) Ảnh mòn mặt sau, sau 10,09 phút gia công. ......................................... 67 (c) Ảnh phóng to vật liệu gia công bám lên vùng mòn mặt sau (b)............ 67 (d) Góc mòn bên trái của (b). ...................................................................... 67 Hình 2.11: ....................................................................................................... 68 (a) Mòn mặt sau của mảnh dao PCBN sau khi tiện 12,36 phút cho thấy hình ảnh gồ ghề của vùng mòn. .......................................................................... 68 (b) Hình ảnh phóng to của (a). .................................................................... 68 Hình 3.1: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám ....................................... 73 Hình 3.2. Đồ thị quan hệ giữa vận tốc cắt và nhám Ra, Rz…………………75 Hình 3.3: Ảnh vùng mòn mặt sau của mảnh dao PCBN cắt với vận tốc cắt: 75 (a): v1 = 180 m/p sau 7,69 phút ............................................................... 75 (b): v2 = 160 m/p sau 12,36 phút ............................................................. 75 (c): v3 = 140 m/p sau 19,72 phút ............................................................. 75 Hình 3.4: ......................................................................................................... 76 (a)Ảnh phóng to vùng mòn mặt sau trên lưỡi cắt chính từ hình 3.3(c) .. 76 (b)Ảnh phóng to vùng “phồng” dưới lưỡi cắt phụ từ hình 3.3(b)........... 76 (c)So sánh cấu trúc tế vi vùng “phồng” dưới lưỡi cắt phụ (c’) với cấu trúc tế vi nguyên thuỷ của PCBN (c) ............................................................. 76 (d)Ảnh phóng to vùng dính vật liệu gia công trên mặt sau dưới lưỡi cắt phụ từ hình 3.3(c). ................................................................................... 76 Hình 3.5: ......................................................................................................... 77 (a) Ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN cắt với vận tốc cắt 160 m/p sau 12,36 phút. ............................................................................................... 77 (b) Ảnh phóng to thể hiện cơ chế phá huỷ lưỡi cắt phụ từ hình 3.4(a) ... 77 Khi giảm vận tốc cắt xuống 160 m/p sau 12,36 phút, trên mặt sau chỉ xuất hiện một vùng bị “phồng” ở phía dưới lưỡi cắt phụ. Tiếp tục giảm vận tốc cắt tới 140 m/p, sau 19,72 phút, trên mặt sau chỉ tồn tại vùng dính vật liệu gia công (Hình 3.3(c)). ....................................................... 77 Hình 3.6: Mặt hồi quy dạng Loga của nhám bề mặt Ra theo loga của lượng chạy dao S và vận tốc V khi t = 0,12 mm…………………… ……….81 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhám bề mặt Ra và S,V. Các vùng nhám bề mặt Ra nhận giá trị tối ưu (t = 0,12 mm). ......................... 82 Hình 3.8: Mặt hồi quy dạng loga của tuổi bền T theo loga của lượng chạy dao S và vận tốc V khi t = 0,12 mm. ...................................................... 83 Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tuổi bền dụng cụ cắt T và S, V. Các vùng tuổi bền T nhận giá trị tối ưu (t = 0,12 mm) ..................... 83 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt 26 Bảng 1.2: Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ 27 Bảng 1.3: Tính chất cơ - nhiệt của một số vật liệu phủ 27 Bảng 2.1: Thành phần hoá học của phôi thép 9XC (%) 57 Bảng 2.2: Vận tốc cắt và các thông số nhám 59 Bảng 3.1: Kết quả đo nhám bề mặt tương ứng với các chế độ cắt thiết kế 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài : Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi (thường là thép hợp kim) có độ cứng cao khoảng từ 40 ÷ 65 HRC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv… Tiện cứng được sử dụng thay mài khi gia công chính xác các chi tiết máy có tỉ số chiều dài trên đường kính nhỏ, các chi tiết có hình dáng phức tạp và không nhất thiết phải sử dụng dung dịch trơn nguội. Tiện cứng cho độ chính xác và nhám bề mặt tương đương với mài nhưng tiện cứng có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suất dư nén làm tăng tuổi thọ về mỏi của chi tiết máy trong các tiếp xúc lăn khi sử dụng, cho năng suất cao hơn mài với đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều. Tiện cứng thường dùng trong nguyên công tiện tinh với độ chính xác ngang mài nên các yêu cầu về độ chính xác, độ cứng vững của hệ thống công nghệ rất khắt khe. Vật liệu thường sử dụng làm dao tiện cứng là CBN (Cubic nitrit Bo). Đây là loại vật liệu tổng hợp sử dụng các hạt CBN với chất gắn kết l à TiC hoặc kim loại như Co. Khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng CBN thấp (CBN – L) và cao (CBN – H), mòn xuất hiện trên cả mặt trước và sau với ba cơ chế mòn khác nhau là mòn do dính, mòn do cào xước và mòn do nhiệt, trong đó mòn do nhiệt là cơ chế mòn chính. Mòn ảnh hưởng trực tiếp đến nhám bề mặt chi tiết gia công, do vậy nó phải được nghiên cúu để nắm vững và điều khiển nhằm giảm tác động của nó và nâng cao chất lượng của quá trình cắt gọt. Mòn của dụng cụ cắt là hiện tượng lý hoá phức tạp trong quá trình gia công cắt gọt các vật liệu. Cũng như mòn của các chi tiết máy, mòn của dụng cụ làm thay đổi các thông số hình học dụng cụ và giảm tuổi bền cũng như khả năng làm việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 của dụng cụ. Mòn của dụng cụ còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ chính xác của bề mặt gia công. Đối với quá trình gia công loạt lớn và tự động hoá, độ mòn và tuổi bền của dụng cụ lại càng được quan tâm và chú ý hơn do các ảnh hưởng của nó tới năng suất và chất lượng của sản phẩm chế tạo. Do vậy, việc nghiên cứu quá trình mòn khi tiện cứng để nâng cao khả năng làm việc, nâng cao chất lượng bề mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ khí. Khi tiện thép nhiệt luyện bằng dao nitritbo xuất hiện lực cắt đơn vị lớn, do đó ở vùng tiếp xúc nhiệt độ cắt tăng cao, gây ảnh hưởng đến tuổ i bền của dao và chất lượng lớp bề mặt của chi tiết gia công. Xét về mặt mài mòn của dụng cụ cắt cần quan tâm tới nhiệt độ lớn nhất trên mặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này. Nhưng việc xác định nhiệt độ lớn nhất này rất khó khăn. Mặt khác nhiệt độ cắt chịu ảnh hưởng của vận tốc cắt lớn hơn so với lượng chạy dao. Khi tiện tinh, chiều sâu cắt nhỏ, vận tốc cắt lớn, áp lực lên dao nhỏ, nhiệt độ tập trung ở vùng mũi dao cao nên làm dao bị mềm ra và cùn nhanh. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn như thế nào khi tiện tinh thép hợp kim dụng cụ 9XC qua tôi một loại vật liệu có nhiều ưu điểm được dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thoả mãn các yêu cầu về khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuât. Do vậy đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi” là cần thiết và cấp bách. 2. Nội dung nghiên cứu. - Nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khi tiện và cơ chế mòn của dụng cụ cắt. - Nghiên cứu thực nghiệm về mòn dụng cụ PCBN và ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 3. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghi ệm. Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến tiện cứng từ đó rút ra vấn đề định hướng cho nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ. Tiến hành các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm sử dụng mảnh dao PCBN tiện tinh thép 9XC qua tôi để xác định cơ chế mòn và tuổi bền của dao khi cắt với các vận tốc cắt khác nhau. Xác định mối quan hệ giữa vận tốc cắt và nhám bề mặt gia công khi sử dụng các vận tốc cắt khác nhau sau những khoảng thời gian khác nhau. Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm vận tốc cắt tối ưu nhằm đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất hoặc tuổi bền cao nhất. 4. Dự định kết quả : Phát hiện ra một số cơ chế mòn dụng cụ PCBN mới mối quan hệ giữa mòn, cơ chế mòn và vận tốc cắt. Xác định được vận tốc cắt tối ưu trong dải vận tốc cắt sử dụng trong nghiên cứu nhằm đạt được nhám bề mặt nhỏ nhất hoặc tuổi bền cao nhất của dụng cụ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 CHƯƠNG I BẢN CHÂT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT VÀ MÒN DỤNG CỤ 1.1. Bản chất vật lý. Trong quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượng vật lý xảy ra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng, biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến công tiêu hao trong quá trình cắt gọt, độ mòn của dụng cụ cắt, chất lượng của chi tiết gia công. 1.1.1. Quá trình cắt và tạo phoi. Quá trình cắt kim loại là quá trình lấy đi một lớp phoi trên bề mặt gia công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu. Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động : - Chuyển động cắt chính (Chuyển động làm việc) : Với tiện đó là chuyện động quay tròn của phôi. - Chuyển động chạy dao: Đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo phoi liên tục trong suốt quá trình cắt. Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của dao khi tiện mặt trụ [6]. Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị gia công. Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớp kim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy (hình1.1). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động bao gồm: - Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao được giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi. Dưới tác dụng của lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo. Khi ứng suất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện hiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE). Trong quá trình cắt, vùng phoi một luôn di chuyển cùng với dao. - Vùng ma sát th ứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao. - Vùng ma sát th ứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao. - Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏ i phôi để hình thành phoi. Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ chức hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như không xảy ra. Quá trình bóc tách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động. Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của công cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của dao (tuổi thọ của dụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tạo phoi. a. b. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 1.1), dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước. Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao. Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi biến thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng. Khu vực này được gọi là miền tạo phoi (hình 1.2). Hình 1.2: Miền tạo phoi Trong miền này (như sơ đồ hoá hình 1.1) có những mặt trượt OA, OB,OC,OD,OE. Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt có ứng suất tiếp có giá trị cực đại). Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinh những biến dạng dẻo đầu tiên, đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao. Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi, khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt trước của dao. Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hình 1.1) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên. Mức độ biến dạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài ra theo một hướng nhất định, tạo thành têch tua. Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều.Mức độ biến dạng của phoi: Kf = Kbd + Kms (1 –1) Ở đây: Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi Kms là mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao. Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằm phía dưới đường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo. Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…). Vận tốc cắt có ảnh hưởng có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi. Tăng vận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại. Hiện tượng đó có thế được giải thích như sau : Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi với tốc độ nhanh hơn. Khi di chuyển với vận tốc lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ra theo đường OA mà chậm đi một thời gian theo đường OA’. Tương tự như vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’ chậm hơn so với OE (hình 1.3). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau Như vậy ở vận tốc cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’; A’OE’ quay đi một góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so với trước (a’1 < a1) vì biến dạng dẻo giảm đi. Khi vận tốc cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng của nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet. Trong trường hợp đó sự biến dạng của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF. Do đó để cho đơn giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắt xảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động của dao một góc bằng θ. Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc θ gọi là góc trượt. Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạng dẻo trong miền tạo phoi. Hình 1.4: Tính góc trượt θ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 V1 V2 V3K 3 2 0 20 40 60 80 Theo hình vẽ 1.4 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của phoi là a1 ta có : )cos( sin )cos(. sin. 1 γθ θ γθ θ − = − == OC OC a ar (1-2) Do đó có thể tính θ theo công thức : γ γθ sin.1 cos. r rtg − = (1-3) Nếu đặt r K 1= thì ta có công thức sau : γ γθ sin cos − = K tg (1-4) Như vậy góc trượt θ phụ thuộc vào γ và tỉ số K. Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thay đổi so với kích thước của lớp kim loại sinh ra nó. Đại lượng K đặc trưng cho sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn. Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó công tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao. Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5. Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Khi Vc tăng từ V1 đến V2 biến dạng của phoi giảm Trong vùng vận tốc cắt này khi V c tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng, biến dạng của phoi tăng. Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm tăng góc trước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ dàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt gia trị cực tiểu tại B ứng với Vc = V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất). Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn. Khi Vc tăng từ V2 ÷ V3 biến dạng của phoi tăng. Trong vùng vận tốc cắt này khi V c tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng. Khi Vc tăng, hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm. Kết hợp hai ảnh hưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng biến dạng của phoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn). Khi Vc > V3: lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rất cao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi và mặt trước giảm, K giảm. Khi Vc > 200 ÷ 300 m/f hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng của phoi hầu như không thay đổi. Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao, phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt. Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăng chiều dày trung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của chúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như thẳng góc với lưỡi cắt) làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi 1.1.2. Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng Trong tiện cứng, quá trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất phức tạp, chủ yếu do độ cứng của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháp tốt nhất vẫn là sử dụng mảnh dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt… đặc biệt cao. Tiêu biểu cho nhóm này là các mảnh CBN, PCBN … Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạo phoi lý thuyết khi gia công thép tôi. - Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn đến sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi. - Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳ trên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt. Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép 100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt. Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt giảm khi tăng độ cứng trong dải này. Điều này được giải thích là khi độ cứng của vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm độ bền của vật liệu gia công dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước. Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt. Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50 HRC, phoi sẽ chuyển từ phoi dây sang phoi dạng răng cưa và lực cắt tăng lên. Khi tăng độ cứng, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 góc tạo phoi tăng và chiều dày của phoi giảm Khi độ cứng tăng, tồn tại hai yếu tố trái ngược ảnh hưởng đến cơ chế tạo phoi đó là tăng độ bền của vật liệu gia công do tăng độ cứng và giảm độ bền của vật liệu gia công do tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi. Khi độ cứng tiếp tục tăng, vật liệu gia công trở nên giòn hơn và yêu cầu năng lượng cắt nhỏ hơn. Khi gia công vật liệu giòn, biến dạng nứt trở nên nhỏ hơn và khi nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt sẽ trở nên thịnh hành và hiện tượng trượt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trượt chỉ ra trên hình 1. Khi hiện tượng này xảy ra, nhiệt độ trong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầu giảm. Một điều cần lưu ý là phoi dạng răng cưa xuất hiện khi gia công phôi có độ cứng thấp hơn nhưng với vận tốc cắt cao hơn. Điều này chứng tỏ cơ chế tạo phoi được điều khiển bởi sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công và mối quan hệ giữa hai yếu tố này với nhiệt độ trong vùng cắt. Hình 1.7 chỉ ra 3/4 giai đoạn hình thành phoi răng cưa khác nhau. Hình 1.6: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với v = 100 m/p; s = 0,1 mm; t = 1 mm; môi trường cắt khô. Hình 1.7: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt giá trị tới hạn trong vùng tạo phoi một vệt nứt đột nhiên xuất hiện và phát triển gần đến lưỡi cắt. Chiều dài của vết nứt là rất quan trọng và có thể so sánh với chiều dày của phoi khi biến dạng không xảy ra. Tất nhiên vết nứt xuất hiện trước khi phoi răng cưa được hình thành. Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, vùng phoi giữa vết nứt và cạnh viền sẽ bị đẩy lên không kèm theo biến dạng và vết nứt sẽ bị khép lại khi dụng cụ tiến lên phía trước và chiều cao của phoi giảm xuống. Tốc độ trượt của phoi trên mặt trước lớn đến mức mà có thể tạo ra nhiệt độ cao gần điểm A3 vì thế Máctensít sinh ra do ma sát giữa các lớp phoi thể hiện ở dạng lớp trắng bao quanh mảnh phoi được hình thành. Hơn nữa một lớp trắng tương tự sẽ sinh ra trên bề mặt gia công do ma sát rất lớn giữa mặt sau của dụng cụ với bề mặt gia công có nguyên nhân là lực hướng kính Py rất lớn. Giai đoạn 3: Khi chiều rộng của khe hở trở nên hẹp tới mức mà tốc độ bật ra và biến dạng dẻo của phoi là rất lớn. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hai lớp trắng trên phoi và trên bề mặt phân cách giữa phoi và bề mặt gia công kết hợp lại tạo nên phần thứ hai của phoi răng cưa. Do ở đây chiều dày của phoi rất nhỏ và tốc độ nguội rất cao vì thế hiện tượng chuyển đổi trong vùng này là “adiabatic”. Giai đoạn 4: Mảnh phoi răng cưa hình thành và thực tế điền vào chỗ trống tồn tại giữa vết nứt và mặt trong của phoi do biến dạng dẻo. Sự phân bố ứng suất nén đã giảm trong giai đoạn 2 và 3 lại trở nên quan trọng và tạo nên vết nứt mới cho một chu kỳ tạo mảnh phoi vụn mới [14]. Dạng phoi được hình thành phụ thuộc vào sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công và mối liên hệ giữa hai thông số này với nhiệt độ sinh ra trong vùng cắt. Hình 1.8 sự ảnh hưởng của tỷ số HVphoi / HVphôi (Tỷ số giữa độ cứng lớn nhất đo trên phoi và độ cứng của phôi ban Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 đầu) đến dạng phoi hình thành. Kết quả thí nghiệm cho thấy biến cứng ảnh hưởng lớn đến sự hình thành phoi khi độ cứng của phôi tăng hoặc vận tốc cắt thấp [14]. Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi và vận tốc cắt 1.2. Lực cắt khi tiện 1.2.1. Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt Ta đã biết, để thực hiện quá trình tạo phoi, khi cắt dụng cụ phải tác động vào vật liệu gia công một lực nhất định. Lực này làm biến dạng vật liệu và phoi được hình thành. Tuy nhiên dụng cụ cắt cũng chịu một phần lực tương tự. Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình gia công vật liệu có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Trong thực tế, những nhận thức về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính toán và thiết kế máy móc, thiết bị … Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ. Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt. Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt. Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 lý thuyết quá trình cắt. Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng. Điều đó có nghĩa là một mặt lực cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại sự tách phoi, mặt khác lực cắt do dụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [4], [6]. Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là một hằng số. Lực cắt được biến đổi theo quãng đường của dụng cụ. Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại. Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi tiết gia công. Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến dạng phần tử khác [4], [6]. Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hình 1.9. Lực tổng hợp P được phân tích thành ba thành phần lực bao gồm : lực tiếp tuyến Pz (hay Pc), lực hướng kính P y (hay Pp) và lực chiều trục (lực ngược với hướng chuyển động chạy dao) Px. Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện Thành phần lực Pz là lực cắt chính. Giá trị của nó cần thiết để tính toán công suất của chuyển động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết cơ cấu chuyển động chính và các chi tiết khác của máy công cụ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt. Thành phần Px tác dụng ngược hướng chạy dao, nó dùng để tính độ bền của chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu hao của cơ cấu chạy dao. Lực cắt tổng cộng được xác định: P = 222 zyx PPP ++ (1- 5) Trường hợp tổng quát các thành phần lực này không thuần nhất. Trị số của Pz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trước của dao. Còn lại Px, Py phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực ma sát. Bởi vậy các thành phần lực này thay đổi khi thay đổi vật liệu gia công, thông số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt, … Lực cắt khi gia công vật liệu có độ cứng cao không cao hơn so với khi gia công vật liệu có độ cứng thấp trong cùng điếu kiện. Góc tạo phoi lớn và phoi dạng răng cưa do tính dẻo của vật liệu gia công kém làm giảm lực cắt mặc dù độ bền của vật liệu cao. Khi gia công thép 0,25% các bon thay đổi độ cứng đến HV500 sử dụng dao có góc trước 0o, lực cắt hầu như độc lập với độ cứng. Mặt khác khi sử dụng góc trước -20o, khi tăng độ cứng của phôi cả lực cắt và lực hướng kính đều giảm. Tăng góc trước âm có tác dụng làm tăng thành phần lực cắt hướng kính đáng kể [14]. Khi tiện thép thấm các bon, ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN với γ = - 6o và α = 0o, các thành phần lực cắt Pz và Py tăng nhanh theo chiều dài cắt còn thành phần P x tăng hầu như không đáng kể theo chiều dài cắt. Thành phần lực cắt Py luôn là thành phần lớn nhất do góc trước âm lớn biến đổi dọc theo bán kính của lưỡi cắt chỉ ra trên hình 1.10 [12]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN với γ = - 6o và α = 0o. Liu và đồng nghiệp [17] được sử dụng dao PCBN – L với 60% CBN và TiN làm chất dính kết khi gia công thép vòng b i tôi cứng đến 60 ÷ 64 HRC. Họ đã phát hiện ra rằng lực cắt giảm dần khi tăng độ cứng của vật liệu gia công đến 50 HRC. Khi độ cứng vượt quá 50 HRC phoi dây dạng răng cưa xuất hiện và lực cắt tăng đột ngột. Độ cứng 50 HRC gọi là độ cứng tới hạn với tiêu chí lực cắt tối thiểu. Vấn đề bôi trơn làm nguội tối thiểu so với cắt khô và bôi trơn làm nguội tràn đã được Varadarajan và đồng nghiệp nghiên cứu [18] khi tiện thép có độ cứng 46 HRC sử dụng dao các bít phủ TiC, TiN, TiCN. Các kết quả chỉ ra rằng bôi trơn, làm nguội tối thiểu có ưu điểm vượt trội so với tiện khô hoặc bôi trơn, làm nguội thông thường trên khía cạnh về lực cắt, độ nhám bề mặt sau gia công, hệ số co rút phoi, chiều dài tiếp xúc phoi và mặt trước và tuổi bền dụng cụ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 Theo Diniz.A.E và đồng ngh iệp [33], tiện cứng thường thực hiện trong môi trường khô vì nhiệt độ cao làm cho phoi biến dạng và trượt dễ hơn. Tuy nhiên nhiệt độ cao lại làm cho phôi dễ bị biến dạng, ảnh hưởng tới độ chính xác hình học, kích thước và chất lượng tích hợp bề mặt. Trong nghiên cứu của họ đã sử dụng dao PCBN tiện thép AISI 52100 tôi cứng đạt 58 ÷ 60 HRC với vận tốc cắt từ 110 ÷ 175 m/p; s = 0,08 mm/v; t = 0,3 mm trong môi trường khô, bôi trơn/làm nguội bằng tưới tràn và bôi trơn làm nguội tối thiểu. Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng trong môi trường cắt khô và tối thiểu mòn mặt sau luôn nhỏ hơn khi bôi trơn/làm nguội tưới tràn; độ nhám bề mặt hầu như không thay đổi khi cắt trong cả ba môi trường. Từ đây có thể thấy môi trường cắt khô là tốt nhất trên khía cạnh giảm mòn, độ nhám bề mặt thấp và tiết kiệm chi phí chất bôi trơn/làm nguội. Trái lại các nghiên cứu thực tế của Koefer [33] cho thấy sử dụng dung dịch làm nguội ở dạng sương mù hay áp suất cao có tác dụng làm tăng tuổi bền của dao khi tiện cứng và dầu không nên sử dụng trong tiện cứng do nhiệt độ ở vùng cắt cao (tới 1700oF). 1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện Lực cắt trong quá trình gia công nói chung và khi tiện nói riêng đều chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như vật liệu gia công, thông số hình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt ...v.v… 1.2.2.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt - Khi tăng vận tốc cắt từ V1 ÷ V2 Hiện tượng lẹo dao xuất hiện và tăng đến giá trị cực đại khi Vc = V2. Lẹo dao càng lớn biến dạng càng giảm do đó lực cắt càng giảm. - Khi tăng vận tốc cắt từ V2 ÷ V3 Hiện tượng lẹo dao giảm dần rồi triệt tiêu cùng với sự giảm dần của lẹo dao biến dạng của phoi tăng lên do đó lực cắt tăng lên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Khi Vc > V3 biến dạng của phoi giảm (đã giải thích ảnh hưởng của vận tốc cắt đến biến dạng của phoi) làm giảm lực cắt. Khi Vc tăng quá (400 ÷ 500 m/p) thì lực cắt hầu như không thay đổi vì biến dạng của phoi hầu như bão hoà. Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt - Để nâng cao năng suất cắt, giảm công tiêu hao trong quá trình cắt gọt ta nên cắt ở vận tốc cắt cao Vc > V3. Nên đường cong phía bên phải của đồ thị mang ý nghĩa thực tế. - Trong phạm vi vận tốc cắt từ Vc = V3 ÷ 400 m/p mối quan hệ giữa vận tốc cắt và các thành phần của lực cắt như sau: Pz = 11nV C , Py = 22nV C , Px = 33nV C Trong đó : các hệ số C 1, C2, C3, là hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công (Vật liệu phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt, lớp cắt, dung dịch trơn nguội…) PxPyPz Kg 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 500 40 80 120 160 200 V M/p Px Py Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 n1, n2 , n3 là số mũ b iểu thị ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt, phụ thuộc vào điều kiện gia công. Khi gia công thép bằng dao HKC: n1 = 0,1 ÷ 0,26; n2 = 0,18 ÷ 0,20; n3 = 0,22 ÷ 0,40 1.2.2.2. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đối với tất cả các thành phần lực cắt Px, Py và Pz ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt có thể tính bằng công thức chung sau : pp yxp stCP ..= (1-6) Hệ số Cp và các số mũ xp, yp phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, các thông số hình học của dao, dung dịch trơn nguội … Ví dụ công thức thực nghiệm xác định các thành phần lực cắt khi tiện thép bằng dao hợp kim cứng : 4,05,0 ... −= VStCP xx 3,06,09,0 ... −= VStCP yy (1-7) 15,075,0 ... −= VStCP zz 1.2.2.3. Ảnh hưởng của vật liệu gia công Vật liệu chi tiết gia công có ảnh hưởng rất nhiều tới lực cắt, vật liệu chi tiết gia công khác nhau thì [σ ]dh, [σ ]b khác nhau do đó lực để ra biến dạng chúng cũng khác nhau. Vật liệu chi tiét gia công khác nhau thì hệ số ma sát với dụng cụ cắt cũng khác nhau, vì vậy lực cắt cũng khác nhau. Đối với thép [σ ]b càng lớn lực cắt càng lớn. Đối với gang độ cứng HB càng lớn lực cắt càng lớn Trong thực nghiệm người ta tìm được thành phần ),( HBfPz bσ= qua các công thức gần đúng sau : qBz CvP σ.= qvz HBCP .= Khi gia công thép có HB ≤ 170 lấy q = 0,35; HB > 170 lấy q = 0,75. (1-8) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 Với gang lấy q = 0,55. Nói cách khác, độ cứng và độ bền vật liệu gia công càng cao, lực cắt càng lớn. Quan hệ phụ thuộc này có thể được biểu thị bằng công thức tỷ lệ, nếu HB’ tương ứng P’, còn HB” tương ứng P”. Ta có : q HB HB P P      = ' " " ' hay q HB HBPP      = ' "'" (1-9) Như vậy theo công thức trên có thể xác định lực cắt khi gia công thép có HB” nếu biết lực cắt P’ khi gia công thép có HB’. Nói chung l ực cắt khi gia công thép lớn hơn khi gia công gang 1,5÷2 lần. 1.2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng. Khi gia công cùng một loại vật liệu, vật liệu làm dụng cụ cắt khác nhau thì biến dạng của phoi cũng khác nhau, lực ma sát giữa mặt sau của dụng cụ cắt với phôi, mặt trước của dụng cụ cắt cũng khác nhau. Mặt khác trong vùng tiếp xúc giữa dụng cụ cắt với phoi và chi tiết gia công còn xảy ra các mối tương tác hoá lý rất phức tạp. Do đó vật liệu làm dụng cụ cắt khác nhau, lực cắt khác nhau. Thực nghiệm cho thấy khi gia công thép bằng dụng cụ cắt vật liệu là HKC lực cắt chỉ bằng 90 ÷ 95 % so với dụng cụ cắt thép gió. Khi cắt bằng dụng cụ cắt vật liệu sứ lực cắt chỉ bằng 88 ÷ 90 % khi cắt bằng dao thép gió. Theo Trent [11], CBN là loại vật liệu không tồn tại trong tự nhiên. CBN có các tính chất cơ lý tuyệt diệu đó là: độ bền nóng cao, có khả năng duy trì hình dạng ở nhiệt độ cao, độ cứng ở nhiệt độ trong phòng cao từ (4000 ÷ 5000 HV) phụ thuộc vào hướng của bề mặt đo độ cứng và hướng mạng tinh thể. Một lượng nhỏ kim loại hoặc ceramics được trộn với Nitritbo tạo nên CBN. Độ cứng của CBN giảm khi nhiệt độ tăng nhưng vẫn cao hơn tất cả những vật liệu dụng cụ khác làm cho loại vật liệu này có thể cắt vật liệu có độ cứng cao với vận tốc cắt cao kết hợp với khả năng chống mòn do cào xước và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 khả năng chống tương tác với sắt thép cao. Độ dẫn nhiệt của PCBN khoảng 100 W/moC.Mảnh dao CBN có hai loại: - Các lớp mỏng với chiều dày < 5 mm được gắn lên thân các bít. - Cả khối CBN. Các tính chất và khả năng sử dụng của dụng cụ PCBN chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng rất cao của Nitritbo nhưng pha thứ hai đóng vai trò quan trọng. Hàm lượng pha thứ hai càng cao thì tuổi bền của dụng cụ càng cao đặc biệt khi gia công tinh v ới lượng chạy dao và chiều sâu cẳt nhỏ. Khi gia công thô tuổi bền của dao tăng khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng pha thứ hai thấp [11,14]. Có thể chia CBN thành hai nhóm: - Nhóm có thành phần CBN cao khoảng 90 % (CBN – H) sử dụng chất dính kết kim loại. - Nhóm có thành phần CBN thấp khoảng 50 ÷ 70 % (CBN – L) sử dụng ceramics làm chất kết dính. Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao (BZN6000 – 92% CBN – High CBN) và (BZN8100 – 70% CBN – Low CBN) [13]. Hình ảnh cấu trúc của hai loại thép này được chỉ ra trên hình 1.12 với chất dính kết là Co đối với CBN – H và Co, TiN với CBN – L. Mặc dù CBN – H có độ cứng cao hơn và độ dai va đập cao hơn nhưng tuổi bền của CBN – L lại cao hơn và tạo nên độ bóng bề mặt tốt hơn [13]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 Hiện tượng này được giải thích theo nhiều cách khác nhau như: CBN – L có tuổi bền cao hơn là do có sức bền liên kết cao hơn, lớp đọng trên mặt sau của dao CBN – L có tác dụng bảo vệ mặt sau, CBN – L có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn là nguyên nhân tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm độ cứng của vật liệu gia công quanh vùng cắt làm cho quá trình cắt dễ dàng hơn. Hơn nữa cấu trúc và tính chất hoá học của mảnh dao CBN có thể quyết định vấn đề mòn của dao CBN [13]. Dao CBN – L tồn tại pha dính kết ceramics làm tăng tính trơ hoá học của vật liệu dụng cụ dẫn đến tăng khả năng cắt. Nghiên cứu về tính gia công của một số loại thép hợp kim tôi cứng đến trên 60 HRC cho thấy lực cắt hướng trục Px tăng khi gia công thép có các hạt các bít thô (thép S6-5-2), và lực cắt Pz tăng với thép có các hạt các bít mịn và đồng đều (thép 16MnCr5E). Từ đó có thể thấy rằng CBN không thích hợp về mặt kinh tế khi gia công thép có thành phần ferit cao và độ cứng dưới 50 HRC [14]. 1.2.2.5. Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r. Khi tăng bán kính đỉnh dao r làm điều kiện cắt thay đổi, biến dạng của phoi tăng do đó Pz tăng hình 1.13. Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 Trong đó: đường 1 có công thức 1,0.rCP zz = đường 2 có công thức 25,0.rCP yy = (1-10) đường 3 có công thức 25,0. −= rCP xx Từ các công thức này ta thấy rằng, bán kính r tăng sẽ làm thành phần Py, Pz tăng còn Px giảm, trong đó Py tăng mạnh hơn so với Pz. Tuy nhiên trong gia công tinh người ta cố gắng chọn dao có r nhỏ để vừa giảm lực cắt đồng thời tăng được chất lượng bề mặt gia công. 1.2.2.6. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt Nếu dụng cụ cắt khi gia công chỉ bị mòn theo mặt trước, điều này thường xảy ra khi ra công thép ở thời gian cắt gọt ban đầu (trong quá trình cắt gọt do ma sát giữa mặt trước của dụng cụ cắt với phoi), mặt trước của dụng cụ cắt bị mòn thành rãnh có hình lưỡi liềm ở mặt trước làm tăng góc trước, phoi thoát ra dễ dàng hơn, biến dạng của phoi giảm làm giảm lực cắt. Nếu dụng cụ cắt bị mòn ở mặt sau và mòn ở mũi dao thì lực cắt sẽ tăng. Như vậy sự thay đổi của lực cắt phụ thuộc vào trạng thái mòn của dụng cụ cắt (mòn mặt trước, mặt sau, mũi dao…) 1.3. Nhiệt cắt 1.3.1. Khái niệm chung Nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới cơ chế tạo phoi, lẹo dao, hiện tượng co rút phoi, lực cắt và cấu trúc tế vi lớp bề mặt. Đồng thời nhiệt cắt còn là nguyên nhân chính gây mòn dụng cụ cắt, ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dụng cụ cắt, đặc biệt trong tiện cứng vì giá thành các mảnh dao thường khá cao. Phần lớn công tiêu hao trong quá trình cắt gọt chuyển hoá thành nhiệt năng (97,5%). Số còn lại làm thay đổi thế năng trong mạng tinh thể kim loại. Quy luật phát sinh và truyền nhiệt trong quá trình cắt gọt rất quan trọng để tìm các biện pháp giảm nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt gọt có ý nghĩa lớn về Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 lý luận và thực tiễn. Nhằm nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt, năng suất và chất lượng gia công Nhiệt độ phát sinh khi gia công bằng cắt phụ thuộc chủ yếu vào các tính chất của phôi và dao, chế độ cắt và các điều kiện khác như môi trường cắt. Các yếu tố như mòn dụng cụ, cơ chế tạo phoi, chất lượng lớp bề mặt đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cắt. Trong nhiều trường hợp nhiệt độ cắt là yếu tố hạn chế hiệu quả sử dụng của dụng cụ. Khi cắt vật liệu siêu cứng sử dụng dao ceramics như thép hợp kim hoá và tăng bền bề mặt, các hợ p kim siêu cứng, nhiệt cắt là cần thiết để làm mềm vật liệu gia công cục bộ mà không ảnh hưởng tới sức bền của dụng cụ. Trong các phương pháp thực nghịêm để đo nhiệt độ cắt như cặp ngẫu nhiệt dao – phôi, phát xạ hồng ngoại, sự thay đổi cấu trúc tế vi, cặp ngẫu nhiệt trên dao, phương pháp sử dụng cặp ngẫu nhiệt trên dao được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ trên dụng cụ siêu cứng [34]. Nhiệt độ trong vùng cắt tăng theo giá trị độ cứng của phôi tới HRC 50, khi độ cứng của phôi vượt quá giá trị này nhiệt độ cắt giảm đi khi tăng độ cứng. Điều khác với quy luật thay đổi nhiệt độ của lý thuyết cắt kim loại truyền thống này được giải thích do sự thay đổi về cơ chế tạo phoi khi gia công thép có độ cứng từ 50 HRC trở lên [14, 35]. Nói chung sự tỏa nhiệt khi cắt là do có một công A (kG.m) sinh ra trong quá trình hớt phoi. Nó xác định bởi công thức : A = A1 + A2 + A3 (1-11) Trong đó : A1: Công sinh ra làm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo A2: Công sinh ra để làm thắng lực ma sát ở mặt trước dao. A3: Công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao. Ngoài ra công A có thế tính bởi công thức khác : A=Pz.L (1.12) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 Trong đó : Pz: lực theo phương cắt chính (kG). L : chiều dài cắt (m) Trong tiện cứng ta thấy vật liệu phôi cứng hơn nhiều so với tiện thông thường, vì vậy nhiệt sinh ra trong vùng cắt là rất lớn, để thoả mãn khả năng chịu nhiệt này hàng loạt các loại vật liệu dụng cụ mới được ra đời, thông qua bảng 1.1. [6] Bảng 1.1. Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt Năm Vật liệu dụng cụ Vận tốc cắt (m/ph) Nhiệt độ giới hạn đặc tính cắt (oC) Độ cứng (HRC) 1894 Thép cacbon dụng cụ 5 200-300 60 1900 Thép hợp kim dụng cụ 8 300-500 60 1900 Thép gió 12 1908 Thép gió cải tiến 15 -20 500-600 60 - 64 1913 Thép gió (tăng Co và WC) 20-30 600-650 - 1931 Hợp kim cứng cácbit vonfram 200 1000 - 1200 91 1934 Hợp kim cứng WC và TiC 300 1000 - 1200 91-92 1955 Kim cương nhân tạo 800 100000HV 1957 Gốm 300 -500 1500 92-94 1965 Nitrit Bo 100-200 (thép tôi) 1600 8000HV 1970 Hợp kim cứng phủ (TiC) 300 1600 18000HV Ta thấy rằng phần vật liệu cứng trong dụng cụ cắt tăng lên, do đó tính chịu mài mòn, tính chịu nhịêt tăng, tăng tuổi bền p cụ và do đó tăng được vận tốc cắt. Khả năng cắt của vật liệu Nitrit Bo trong bảng là rất cao và đang được ứng dụng khá phổ biến trong gia công vật liệu có độ cứng cao cũng như trong tiện cứng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Bảng 1.2. Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ Vật liệu Thông số Cacbit Vonfram Gốm sứ nhân tạo CBN Kim cương nhân tạo Khối lượng riêng (g/cm3) 6,0 – 15,0 3,8 – 7,0 3,4 – 4,3 3,5 - 4,2 Độ cứng (HV 30) 1300- 1700 1400- 2400 3000 - 4500 4000- 7000 Modul đàn hồi (GPa) 430 - 630 300 - 400 580 - 680 680 – 890 Giới hạn bền (Mpam1/2) 8 - 18 2 - 7 6,7 8,89 Độ bền nhiệt (oC) 800 - 1200 1300- 1800 1500 600 Hệ số truyền nhiệt (W/mK) 100 30 - 40 40 - 200 560 Hệ số giãn nở vì nhiệt (10-6K-1) 5,0-7,5 7,4-9,0 3,6-4,9 0,8 Bảng 1.3 Tính chất cơ - nhiệt của một số vật liệu dụng cụ phủ Lớp phủ Thông số TiN TiCN TiAlN Diamond Độ cứng 2400 3500 3300 800 Khả năng dẫn nhiệt (kW/mK) 0,07 0,1 0,05 lớn Điện trở (µ - Ωcm) 25 68 1.1022 nhỏ Hệ số ma sát 0,4 0,25 0,3 Nhiệt sử dụng (oC) <500 <400 <800 Mật độ (g/cm3) 5,2 4,93 5,1 3,5 Mô đun đàn hồi E (kN/mm2) 256 350 - 800 Màu vàng nâu xanh đen nâu Cụ thể Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN) được coi là vật liệu có độ cứng cao nhất chỉ sau kim cương nhưng lại có độ bền nhiệt cao hơn kim Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 cương (1500oC) [46]. Bảng 1.2 và 1.3 thể hiện tính chất cơ - nhiệt của vật liệu dụng cụ CBN so với một số loại vật liệu dụng cụ có tính năng cắt cao khác (Cacbit Vonfram, gốm sứ nhân tạo và kim cương nhân tạo). Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98% – 99% công suất cắt biến thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt AB), mặt trước (AC) và mặt sau (AD) như trên hình 1.14a Hình 1.14: (a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt. (b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại. Các nguồn nhiệt này truyền vào dao, phoi, phôi và môi trường với tỷ lệ khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường [6], [40]. Thực tế vận tốc cắt là nhân tố ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ lệ này, khi cắt với vận tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi (hình 1.14 b) [6]. Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt: Q = Q mặt phẳng cắt + Q mặt trước + Q mặt sau (1–13) Theo định luật bảo toàn năng lượng thì lượng nhiệt này sẽ truyền vào hệ thống phoi, dao, phôi và vào môi trường theo công thức sau: a b. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 Q = Qphoi + Q dao + Q phôi + Q môi trường (1- 14) Với lưu lý rằng tốc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi như không đáng kể trong tính toán khi môi trường cắt là không khí. Hình 1.15 : Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường phụ thuộc vào vận tốc cắt [6] Từ hình 1.15 ta thấy nhiệt lượng truyền vào phoi lớn nhất và là một hàm của vận tốc cắt. Càng tăng vận tốc cắt nhiệt lượng truyền vào phoi càng nhiều, nhiệt lượng truyền vào phôi và dụng cụ cắt càng ít. Nhiệt lượng truyền vào dao và phôi càng ít càng có lợi cho quá trình cắt gọt. Như vậy trong tiện cứng sử dụng dao PCBN do vận tốc cắt cho phép là rất cao (thường từ 100 ÷220 m/phút) nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình chủ yếu truyền vào phoi khoảng 68 – 85%, nhiệt cắt truyền vào dao là không đáng kể (khoảng 10%) (hình 1.15). Điều đó đặc biệt có lợi cho quá trình gia công. 1.3.2. Trường nhiệt độ Thông qua trường nhiệt độ trên phôi, dụng cụ cắt, phoi ta biết được vùng nào có nhiệt độ lớn nhất, biết được ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình gia công để tìm các biện pháp làm giảm nhiệt độ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 - Trường nhiệt độ trên phôi giúp ta biết được ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công. - Trường nhiệt độ trên dụng cụ cắt giúp ta giải thích về quá trình mòn dụng cụ cắt. - Trường nhiệt độ trên phoi ít có ý nghĩa. Hình 1.16; 1.17 giúp ta biết được trường nhiệt độ trê n dụng cụ cắt – phoi – phôi khi tiện. Hình 1.16: Trường nhiệt độ khi tiện Đường nét liền: Đường đẳng nhiệt; đường nét đứt: Dòng nhiệt.Dòng nhiệt vuông góc với đường đẳng nhiệt. - Nhiệt lượng tập trung trên phoi lớn nhất, nhưng do độ dẫn nhiệt của vật liệu làm dụng cụ cắt nên nhiệt độ tập trung trên dụng cụ cắt thường lớn hơn nhiệt độ tập trung trên phoi và phôi. - Thí nghiệm cho thấy nhiệt độ lớn nhất nằm ở khu vực tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phoi, cách mũi dao (0,3 ÷ 0,5)l, l là chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước. Khu vực này có áp lực giữ phoi và mặt trước lớn nhất gọi là trung tâm áp lực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 Ở mũi dao nhiệt độ tập trung cũng rất lớn. Điều này giải thích tại sao dụng cụ cắt mòn theo rãnh lõm ở mặt trước, mòn ở mũi dao… Trường nhiệt độ trên phôi cho thấy, nhiệt độ trên bề mặt có thể tới 6700K, càng xa mũi dao nhiệt độ giảm dần (vì lớp bề mặt chịu ma sát và biến dạng rất lớn, càng xa bề mặt biến dạng càng giảm). Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trường nhiệt độ cho thấy: - Trường nhiệt độ khi gia công là không ổn định. - Nhiệt độ tại một điểm xác định θ (x,y,z) phụ thuộc vào các yếu tố: + Vật liệu dụng cụ cắt và chi tiết gia công. + Điều kiện cắt. + Phương pháp gia công. Nghiên cứu quá trình mòn dụng cụ cắt phải xét đến nhiệt độ lớn nhất trên mặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này, xác định được nhiệt độ lớn nhất này thường rất khó khăn, nhiệt độ trung bình ở mặt phân cách phoi - dụng cụ cắt, dụng cụ cắt – phôi gọi là nhiệt độ cắt gọt, gọi tắt là nhiệt cắt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 Hình 1.17: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi - dụng cụ 1.3.3. Quá trình phát sinh nhiệt 1.3.3.1. Nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất Theo Trent thì phần lớn công suất sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất biến thành nhiệt [11]. Tốc độ nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thể tính gần đúng trên mặt phẳng cắt theo công thức: SSAB VAkQ d .. dt W 1 == (1-15) Trong đó: kAB là ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất AS là diện tích của mặt phẳng cắt Φ = sin bt 1SA Vs là vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng )cos( cos γ γ −Φ = CS VV Tuy nhiên chỉ một phần nhiệt β.Q1 truyền vào phôi, phần còn lại (1-β)Q1truyền vào thể tích As.Vn của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ T trong vùng biến dạng thứ nhất, β có thể lớn đến 50% khi tốc độ thoát phoi thể tích thấp, vật liệu cắt có hệ số dẫn nhiệt cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 Hình 1.18: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác định tỷ lệ nhiệt (β) truyền vào phôi [11]. Khi tốc độ thoát phoi thể tích cao thì β được xác định bằng đồ thị thực nghiệm của Boothroyd thông qua hệ số nhiệt 1 1... k tVcR CT ρ = như trên hình 1.18. Trong đó k t là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công. )1( )cos(.. cos)sincos()1( .. . 1 1 β γρ γβ ρ − −Φ Φ−Φ =−=∆ btc FF Vc VkT C n SAB (1 -16) Phần lớn nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất truyền vào phôi và bị mang đi theo phoi mà không truyền vào dụng cụ do nhiệt độ trên mặt trước cao hơn hẳn nhiệt độ trong vùng tạo phoi [11]. 1.3.3.2. Nhiệt trên mặt trước (QAC) và trường nhiệt độ Qua các công trình nghiên cứu [11], [41], [43], [42] cho thấy rằng nhiệt sinh ra trên mặt trước của dụng cụ do ma sát giữa phoi, mặt trước và biến dạng dẻo của lớp phoi sát mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra. Theo Jun và Smith [44] thì nhiệt sinh ra trên mặt trước chỉ vào khoảng 20% tổng số nhiệt sinh ra trong quá trình cắt, nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyền vào dao và có ảnh hưởng quyết định đến tuổi bền của nó. Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước và quy luật chuyển động của lớp phoi dưới cùng còn có nhiều tranh cãi nên chưa có một công thức duy nhất để tính tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước [8]. Ví dụ, theo Trent thì nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà biến dạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao của các lớp phoi gần mặt trước là nguồn nhiệt chính sinh ra nhiệt độ cao trong dao [11]. Ông đã đưa ra công thức để tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 2/1 1 ... ..2 )0,(         = p mS VK x c xT πρ δγτ (1-17) Nhưng Tay, Li và các đồng nghiệp lại cho rằng phần nhiệt sinh ra do ma sát của phoi trên mặt trước là đáng kể và đưa ra các công thức tính tốc độ sinh nhiệt riêng (q2) khác nhau dựa trên các mô hình khác nhau về mô hình ứng suất và phân bố vận tốc của lớp phoi dưới cùng trên mặt trước [45], [42]. 1.3.3.3. Nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD) và trường nhiệt độ Nhiệt sinh ra trên mặt sau của dụng cụ chỉ có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ phát triển trong dao khi lượng mòn mặt sau đủ lớn. Do bề mặt mòn mặt sau được coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp xúc coi như phân bố đều. Haris đã xác định được quan hệ của Fc và Ft trong mặt cắt trực giao và được đề cập trong công trình của Li như sau: t VBK F FF F F ave c e ccf c c = − = ∆ t VBK F FF F F ave t t ttf t t = − = ∆ (1-18) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 Hình 1.19: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn Trong đó: Fc và Ft là lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến với mặt sau, Fcf và Ftf là lực cắt khi dao mòn, VBave là chiều cao mòn trung bình, t là chiều sâu cắt (hình 1.19). Hệ ma sát trên mặt sau được xác định bằng công thức: t c t c t F F K K .=µ (1-19) Với Kc và Kt là các hệ số thực nghiệm. Tốc độ sinh nhiệt q3 trên mặt sau là: bt FVq cc . 1...0671,03 = (1-20) Nhiệt từ ba nguồn trên là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ trong dao, giảm độ cứng nóng của vật liệu gia công vì thế xác định trường nhiệt độ trong dụng cụ có ý nghĩa rất quan trọng. Có thể xác định trường nhiệt độ này bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết [8] 1.3.3.4 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt và trường nhiệt độ trong dụng cụ Trong tất cả các yếu tố ảnh hưởng thì vận tốc cắt ảnh hưởng tới nhiệt cắt nhiều nhất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Từ công thức 427 PzVQ = Kcl/phút (1- 21) θ Hình 1.20 : Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt độ cắt 1. Thép austenit mangan 2. Thép Cacbon 3. Gang 4. Nhôm Ta thấy V tăng, Q tăng. Mặt khác khi V tăng đến giá trị nào đó thì V tăng lực Pz giảm. Do đó V tăng, Q tăng nhưng không tỷ lệ với V (ở mức độ chậm hơn). Vận tốc cắt càng tăng thì thời gian tỏa nhiệt từ phoi vào chi tiết gia công và dụng cụ cắt càng giảm nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt phần lớn là đi theo phoi (phoi là nguồn nhiệt chính). Nguồn nhiệt làm nóng dụng cụ cắt bây giờ chủ yếu là công thắng lực ma sát giữa phoi và mặt trước, mặt sau và phôi, nó tăng lên cùng với việc tăng vận tốc cắt. Nhưng vận tốc cắt càng cao thì nhiệt cắt tăng càng chậm (do µ giảm) và tiệm cận với đường nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công (hình 1.20) vì công thắng lực ma sát không tăng nữa. Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa θ và V theo công thức sau : θo = Cl.Vu (1-22) θo : Nhiệt cắt Cl : Hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công (vật liệu gia cô ng, chiều sâu cắt, dung dịch trơn nguội, thông số hình học dụng cắt… ). u : số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt θ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 u = 0,26 ÷ 0,72 chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu gia công, phương pháp gia công (θ < u < 1) thể hiện nhiệt cắt tăng chậm hơn V). 1.4. Kết luận Quá trình cắt trong tiện cứng là tổng hợp của nhiều yếu tố công nghệ. Chủ yếu do nhiệt cắt, lực cắt dẫn tới mòn dụng cụ nhanh chóng, ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm. Để có thể đáp ứng được yêu cầu trên, lần lượt các vật liệu dụng cụ mới ra đời như các dao thép gió, các mảnh HKC, kim cương nhân tạo, đặc biệt là mảnh Nitrit Bo. Đặc trưng là các mảnh CBN, chúng làm cho quá trình vật lý diễn ra trong quá trình cắt thép có độ cứng cao trở lên đơn giản hơn, thậm chí hầu hết không cần tới dung dịch trơn nguội. Vậy bản chất vật lý của tiện cứng không khác nhiều tiện thông thường. Tuy nhiên người ta cố gắng chế tạo vật liệu dao, kết cấu mảnh, thông số hình học, … phù hợp nhất để giải phóng càng nhiều nhiệt cắt khỏi vùng cắt càng có lợi cho tiện cứng. 1.5. Mòn dụng cụ cắt 1.5.1. Dạng 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 sự hao hụt về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt. Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình chuyển động tương đối đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung bằng không mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật liệu cũng là một dạng mòn. Giống như ma sát, mòn không phải là do tính chất của vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mòn ở bề mặt tiếp xúc chung sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao. Mòn bao gồm các hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính - mỏi bề mặt – va chạm – hoá ăn mòn và điện. Theo thống kê khoảng 2/ 3 mòn xảy ra trong công nghiệp là do các cơ chế dính, trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác là một hiện tượng xảy ra từ từ. Trong thực tế, mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn. Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ chế mòn ở giai đoạn cuối. Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn. Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công. Sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đích làm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ [8]. Trong quá trình cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ. Mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp xảy ra 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 ÷ 20 lần) và dụng cụ bị mòn theo nhiều dạng khác nhau hình 1.21 [6]. Hình 1.21: Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện Phần cắt dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mòn theo các dạng sau: - Mòn theo mặt sau hình 1.21a. - Mòn theo mặt trước hình 1.21b. - Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau hình 1.21c. - Mòn tù lưỡi cắt hình 1.21d. (a) Mßn trßn mòi dao Vc.t10,6 < 11 (b) Mßn mÆt tr­íc t¹i l­ìi c¾t 11 < Vc.t1 0,6 < (c) Mßn mÆt sau 17 < Vc.t10,6 < Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 Hình 1.22: Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ Hình ảnh cấu trúc của hai loại thép này được chỉ ra trên hình 1.12 với chất dính kết là Co đối với CBN – H và Co, TiN với CBN – L. Mặc dù CBN – H có độ cứng cao hơn và độ dai va đập cao hơn nhưng tuổi bền của CBN – L lại cao hơn và tạo nên độ bóng bề mặt tốt hơn [13]. Hợp kim cứng với tích Vc . t10,6 Trong đó: V tính bằng m/ p và t1 tính bằng mm/ v [20] Mòn mặt trước và sau là hai dạng mòn thường gặp nhất trong cắt kim loại. Các thông số hình học đặc trưng cho hai vùng mòn này được chỉ ra trên hình 1.23. Loladze [21] cho rằng cơ chế hình thành vùng mòn mặt trước của dao hợp kim cứng khác so với dao thép gió. Theo ông thì hợp kim cứng có độ cứng nóng cao đến hàng nghìn độ C, nên hiện tượng khuếch tán ở trạng thái rắn gây mòn với tốc độ cao xảy ra trên mặt trước từ vùng có nhiệt độ cao nhất. Tóm lại mòn mặt trước đều có nguồn gốc do nhiệt. Boothroyd [22] cho rằng mòn mặt sau xảy ra do tương tác giữa mặt sau dụng cụ với bề mặt gia công và bề mặt mòn song song với phương của vận tốc cắt. Theo Trent [11] mòn mặt sau xảy ra trong hầu hết các quá trình cắt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 kim loại và không đều trên suốt chiều dài lưỡi cắt. Cơ chế mòn mặt sau của dụng cụ hợp kim cứng ở tốc độ cắt thấp là sự tách ra của các hạt carbides tạo nên bề mặt mòn không bằng phẳng. Còn ở tốc độ cắt cao vùng mòn mặt sau nhẵn và trơn. Lượng mòn mặt trước và mặt sau có thể tính toán gần đúng theo [19] như sau: Thể tích mòn mặt sau: 2 ..2 αtgbVBV avew = (1– 23) Trong đó: VBave là chiều cao trung bình của vùng mòn Thể tích mòn mặt trước. 3 )(2 KTKFKBbVcr − = (1– 24) Các kích thước dùng xác định mòn chỉ ra trên hình 1.23. Có thể đo bằng kính hiển vi dụng cụ, bằng thiết bị quang học khác, hoặc bằng phương pháp chụp ảnh. Ngoài ra người ta còn đo khối lượng dụng cụ và sử dụng phương pháp radiotracer (phương pháp đồng vị phóng xạ) để xác định. Hình 1.23: Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 và mặt sau – ISO3685 [19] 1.5.2. Các cơ chế mòn cơ bản của dụng cụ cắt Theo Shaw [20] 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 Lofer [23] trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn và phá huỷ. Ở dải vận tốc cắt thấp và trung bình, cơ chế mòn do dính và mòn do hạt mài chiếm ưu thế cho cả cắt liên tục và gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hoá lý trở nên chiếm ưu thế đối với cắt liên tục và tạo nên vùng mòn mặt trước. Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục (hình 1.24). Hình 1.24: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục (a) và cắt gián đoạn (b) [23] 1.5.2.1. Mòn do dính NhiÖt lµm gi¶m søc bÒn Mßn do dÝnh VËn tèc c¾t VËn tèc c¾t NhiÖt lµm gi¶m søc bÒn øng suÊt uèn Xung Mßn do dÝnh Mßn do h¹t mµi Mßn do h¹t mµi ¤xy ho¸, khuÕch t¸n T­¬ng t¸c ho¸ lý T­¬ng t¸c ho¸ lý Mái bÒ mÆt Mái vËt liÖu Ph ©n b æ cñ a bi Õn d ¹n g vµ m ßn Ph ©n b æ cñ a vì n øt v µ m ßn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Theo Boothroyd [22] và Loladze [21] mòn do dính sẽ phát triển mạnh, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao, các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng thời gian cắt ngắn. Hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi. Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của các lớp bề mặt dụng cụ và cường độ dính của nó với vật liệu gia công. Cường độ này được đặc trưng bởi hệ số cường độ dính ka là tỉ 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 900oC ÷ 1300oC. Bản chất phá huỷ vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo và dòn. Loladze [24] cho rằng độ cứng của mặt dao đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính. Khi tăng tỉ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần. Trent [1] đã chỉ ra rằng dao thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt trước ở nhiệt độ khoảng 900oC. Khi mặt dưới 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 do dính. Điều này cũng phù hợp với quan điểm của Loladze [18] cho rằng mức độ biến cứng của các lớp dưới của phoi thép cacbon khi biến dạng dẻo với tốc độ biến dạng cao ít phụ thuộc vào nhiệt độ. 1.5.2.2. Mòn do hạt mài Theo Loladze [21] mòn dụng cắt do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công như oxides và nitrides hoặc những hạt cácbít của vật liệu dụng cụ 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 trong môi trường có tính hoá học mạnh, lớp bề mặt bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn, Armarego [25] 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. Trái lại Trent [11] cho rằng trong điều kiện “ Seizure” các hạt mài riêng rẽ không đóng vai trò quan trọng đối với mòn dụng cụ. Theo ông thì các hạt carbides trong thép gió bị suy yếu do hiện tượng khuếch tán bị tách ra và kéo trên bề mặt tiếp xúc tạo nên các rãnh mòn. Tuy nhiên theo ông khi phoi trượt trên mặt trước của dụng cụ thì mòn do hạt mài sẽ có chiếm ưu thế. 1.5.2.3. Mòn do khuếch tán Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi dây là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công. Colwel [26] đã đưa ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng có sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ 930oC khi cắt bằng dao hợp kim cứng. Điều này liên quan đến một cơ chế mòn khác đó là hiện tượng mòn do khuếch tán, ôxy hoá hoặc sự phân rã hoá học của vật liệu dụng cụ ở các lớp bề mặt. Theo Brierley và Siekmann [27] hiện nay mòn do khuếch tán được chấp nhận rộng rãi như là một dạng mòn quan trọng ở tốc độ cắt cao. Họ chỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong cấu trúc tế vi của các lớp dưới của phoi thép cắt bằng dao hợp kim cứng chứa nhiều cácbon hơn so với phôi. Điều đó chứng rỏ rằng cácbon từ các bít volfram đã hợp kim hoá hoặc khuếch tán vào phoi làm tăng thành phần cácbon của các lớp này. Min và Youzhen [28] đã phát hiện hiện tượng khuếch tán khi phay hợp kim Titan bằng dao phay mảnh hợp kim cứng ở vận tốc cắt 200m/p. Họ đã Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 quan sát một lớp giàu cácbon dọc theo mặt tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ và vật liệu gia công. Dưới bề mặt của dụng cụ xuất hiện một lớp thiếu cácbon. Trent [29] cho rằng do dính hiện tượng khuếch tán xảy ra qua mặt tiếp xúc chung của dụng cụ và vật liệu gia công là hoàn toàn có khả năng. Dụng cụ bị mòn do các nguyên tử cácbon và hợp kim khuếch tán vào phoi và bị cuốn đi. Khuếch tán là một dạng của ăn mòn hoá học trên bề mặt dụng cụ nó phụ thuộc vào tính linh động của các nguyên tố liên quan. Tốc độ mòn do khuếch tán không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cao mà còn phụ thuộc vào tốc độ của dòng vật liệu gần bề mặt dụng cụ có tác dụng cuốn các nguyên tử vật liệu dụng cụ đi. Ekemar [30] cho rằng khi cắt thép và gang tương tác giữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ có thể xảy ra. Thành phần chính của các lớp phoi tiếp xúc với dụng cụ là austenite với thành phần cácbon thấp khi nhiệt độ vùng tiếp xúc đủ cao. Austenite này hoà tan một số các nguyên tố hợp kim của dụng cụ trong quá trình cắt. Hau – Bracamonte [31] đã phát hiện ra sự austenite hoá của thép cácbon thấp ở nhiệt độ 750o mặc dù quá trình tiếp xúc của phoi trên mặt trước rất ngắn. Trái với Ahman và đồng nghiệp [32] đã cho rằng khuếch tán không có ảnh hưởng trực tiếp đến mòn. Các kết quả tính toán và thực nghiệm của họ đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của khuếch tán đến mòn dụng cụ thép gió ở chế độ cắt thông thường là không đáng kể. 1.5.2.4. Mòn do ôxy hoá Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng, mòn xảy ra với tốc độ mòn thấp và các hạt mòn oxits nhỏ được hìnht hành. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 lại được hình thành theo một quá trình kế tiếp nhau liên tục. Tuy nhiên theo Halling thì lớp màng ôxit và các sản phẩm tương tác hoá học với môi trường trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các 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. 1.6. Mòn dụng cụ PCBN Theo Tren [11], lưỡi cắt của mảnh dao PCBN không bị biến dạng khi cắt. Mòn mặt trước và mặt sau là hai dạng mòn chủ yếu của dao tiện PCBN, mòn mặt trước bắt đầu từ rất gần lưỡi cắt trên vùng cạnh viền do lượng chạy dao nhỏ. Hình 1.25: Sơ đồ mòn mặt trước và sau của mảnh dao PCBN trên mặt cắt ngang [15] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Hình 1.25 minh hoạ về mòn dao CBN khi gia công thép qua tôi. Từ hình 1.25 có thể thấy rằng khi gia công thép hợp kim qua tôi dao CBN bị mòn cả mặt trước và mặt sau [15]. Tuy nhiên theo các kết quả ngh iên cứu Kishawy và Elbestawy [12] khi sử dụng dao tiện PCBN với γ = - 6o và α = 0o cho thấy hiện tượng biến dạng dẻo lưỡi cắt xuất hiện dọc theo lưỡi cắt xuất hiện dọc theo lưỡi cắt (hình 1.26). Khi tăng bán kính lưỡi cắt, mòn mặt sau tăng do tác dụng tăng thành phần lực cắt Py. Trái lại khi giảm bán kính lưỡi dao tuổi bền của dụng cụ tăng lên do tác dụng giảm thành phần lực cắt P y. Mòn mặt sau của dụng cụ với những rãnh trên mặt sau tương ứng với hai cạnh của phoi là dạng mòn chính [12]. Hình 1.26: Hình ảnh biến dạng dẻo lưỡi cắt [12] (V = 250m/p, S = 0,1mm/v, t = 0,125mm, r = 3,2mm, lưỡi cạnh viền) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 Hình 1.27: Hình ảnh mòn mặt sau dao BZN 8100 và BZN6000 [13] Trong nghiên cứu của Kevin và đồng nghiệp [13] sử dụng 2 loại mảnh dao CBN – H với chất liên kết là Co và CBN – L với chất liên kết là TiN và một lượng nhỏ Côban tiện thép AISI 52100 cho thấy mòn mặt sau tăng theo quy luật gần như tuyến tính với chiều dài cắt tuy nhiên tốc độ mòn mặt sau của dao CBN – H cao hơn. Mòn xuất hiện trên cả mặt trước và mặt sau, lớp đọng vật liệu gia công xuất hiện trên vùng mòn mặt sau của cả 2 loại mảnh dao. Lớp này mịn và đồng đều trên mặt sau của dao CBN – L, ráp và kèm theo các rãnh trên mặt sau của dao CBN – H. Hình ảnh các hạt CBN bị tách ra khỏi mảnh dao sau đã được ghi lại đặc biệt khi tăng vận tốc cắt. Nói chung dao CBN –L có khả năng chống mòn cao hơn CBN – H ở nhiệt độ cao( hình 1.27). Powlachon và đồng nghiệp [15] đã chỉ ra rằng lớp đọng của vật liệu gia công trên mặt trước và sau của dụng cụ có tác dụng giảm mòn bởi vì lớp này có tác dụng như một lớp mạ trên bề mặt của dụng cụ làm giảm tác dụng cào xước của các hạt các bít. Tuy nhiên khi thành phần Al trong lớp đọng tăng lên thì mòn trên cả mặt trước và sau đều tăng. Zimmermann và đồng nghiệp [16] đã chỉ ra rằng lớp đọng trên mặt sau cà mặt trước của dụng cụ CBN có chứa các hợp chất có sự tham gia của các nguyên tố có trong thành phần hoá học của dao và phôi. Nghiên cứu của các ông sử dụng dao CBN – L với chất dính kết TiC tiện thép tôi cứng bề mặt đã chứng tỏ tồn tại phản ứng giữa vật liệu dụng cụ, vật liệu gia công và ôxy trên mặt sau do ma sát tạo nên nhiệt độ cao và sự tồn tại áp suất lớn trong vùng này do lực P y gây nên. Trên vùng mòn mặt trước, nhiệt độ có thể vượt quá 800oC là tiền đề cho phản ứng h oá học xảy ra trong đó CBN hoà tan trong vùng phoi FeO. Phần còn lại giàu Ti trên mặt trước sẽ bị suy giảm độ cứng so với bên trong và bị bào mòn nhanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 chóng. Cơ chế mòn mặt sau tuy chưa được khẳng định nhưng có thể khẳng định bị ảnh hưởng bởi phản ứng hoá học trong quá trình CBN bị hoà tan và tạo thành các hợp chất phức tạp (hình 1.28). Hình 1.28: Vùng tương tác gi ữa vật liệu gia công và vật liệu dụng cụ [16]. Hình 1.29: Sơ đồ đơn giản về quá trình mòn dính trên vùng có lớp đọng của vật liệu gia công [13] Phân tích EDX cho thấy vật liệu lớp đọng trên vùng mòn mặt sau chủ yếu là Fe và O2 điều này chứng tỏ lớp đọng chủ yếu là ôxit của vật liệu phôi. Lớp đọng trên mặt sau dao CBN – H có rất nhiều rãnh và dễ “ Remove” hơn lớp đọng dạng vảy trên dao CBN – L. Hiện tượng làm yếu liên kết của CBN với nền do mất Co chứng tỏ tương tác của vật liệu gia công với pha thứ 2 của dao CBN là nguyên nhân của mòn dao trên mặt sau. Theo nghiên cứu này thì Líp FeO ChÊt dÝnh kÕt H¹t CBN Vïng t­¬ng Pha dÝnh kÕt Pha dÝnh kÕt Líp ®äng VLGC BÒ mÆt dao DÝnh BÒ mÆt dao H¹t CBN H¹t CBN Lç trèng CBN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 những phần hạt CBN bị tách ra khỏi vùng bề mặt là theo cơ chế chính của lớp đọng do mất liên kết. Vì thế mòn do dính tương tác với các lớp đọng vật liệu gia công dường như là cơ chế mòn chính, mặc dù mòn attrition ở thang vi mô cũng phát triển tới mức quan trọng (hình 1.29). Mòn mảnh dao BZN6000 chỉ ra khốc liệt hơn so với BZN 8100 là do mòn do cào xước phát triển thông qua cơ chế làm bật các hạt CBN. Các mảnh dao sử dụng chất dính kết khác nhau tạo nên các tương tác khác nhau với lớp đọng và từ đó tạo nên kiểu mòn riêng [13]. Khi gia công thép gió bằng dao PCBN chứa rất nhiều các hạt cácbit nhỏ và cứng, mòn dụng cụ chủ yếu xảy ra theo cơ chế mòn do cào xước (abrasion) và vì thế khả năng chống mòn của dụng cụ tăng theo hàm lượng PCBN có trong mảnh dao. Đối với mảnh dao PCBN hàm lượng PCBN th ấp khoảng 60% sẽ cho khả năng gia công rất tốt những loại thép không chứa nhiều hạt siêu cứng như thép hợp kim thấp, thép tôi cứng bề mặt, thép cácbon dụng cụ v.v…Nghiên cứu của Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng: Cơ chế mòn chính của dụng cụ PCBN là abrasion gây ra bởi các hạt cácbít hợp kim cứng trong phôi. Tốc độ abrasion phụ thuộc vào bản chất của cácbít, kích cỡ và sự phân bố trong vật liệu gia công v.v…các vật liệu gia công khác nhau nhưng có độ cứng như nhau sẽ gây ra mòn dụng cụ với tốc độ và cơ chế khác nhau. Hơn nữa, mòn dụng cụ và cơ chế tạo phoi được chỉ ra bằng thực nghiệm rằng có tồn tại một sự tương đương giữa tốc độ cắt và độ cứng của vật liệu gia công. Việc lựa chọn hàm lượng của CBN và chất kết dính đóng vai trò quan trọng đối với tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công. Độ cứng của vật liệu gia công và sự tồn tại của các hạt cácbít trong vật liệu gia công là yếu tố quyết định cơ chế mòn dụng cụ phụ thuộc vào độ bền liên kết của các hạt CBN khi vật liệu g ia công có độ cứng < 50HRC hay abrasion của các hạt cácbít cứng trong phôi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 Khả năng mòn dao CBN theo cơ chế khuếch tán dường như thấp do nhiệt cắt không đủ lớn và các hạt CBN có tính trơ hoá học cao đối với sắt [14]. Cấu trúc tế vi của vật liệu gia công có ảnh hưởng nhiều tới mòn dụng cụ CBN. Khi gia công 4 loại vật liệu khác nhau: Thép vòng bi 100 Cr6 (AISI 52100), thép làm khuôn dập nguội X155CrMoV12 (AISI D2), thép làm khuôn dập nóng X38CRMoV5 (AISI H11) và thép làm khuôn dập nóng 35NiCrMo16 với cùng độ cứng 54HRC, cùng chế độ cắt bằng dao tiện CBN, Poulachon và đồng nghiệp [15] đã phát hiện ra rằng hai loại thép X155CrMoV12 và 100Cr6 tạo nên tốc độ mòn dao trên mặt sau cao hơn hẳn thép 35NiCrMo16 và X38CrMoV5. Cơ chế mòn chủ yếu trên mặt sau là mòn do cào xước (abrasion), với 2 loại thép đầu chủ yếu do các hạt cácbít cứng M7C3 (primary) và M7C3 (secondary) gây ra còn với 2 loại thép sau là do tác dụng của các hạt mactensit. Họ kết luận rằng hai loại thép tạo ra tốc độ mòn cho dao CBN cao chứa các hạt các bít cứng nhất và lớn nhất. Thép có chứa các hạt các bít cứng và lớn sẽ có tính gia công kém hơn thép có cấu trúc mactensit đồng đều (trên khía cạnh mòn dao). Mặc dù độ cứng của bốn loại thép này là như nhau. Khi gia công cả bốn loại thép trên bề mặt sau c ủa dụng cụ đều xuất hiện lớp đọng, lớp đọng này có thể tạo nên một kiểu mòn dạng khuếch tán + cào xước hoặc dính + cào xước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 Hình 1.30: Độ cứng tế vi của một số loại các bít ở nhiệt độ 20oC [15]. Trong trường hợp thứ nhất sự khuếch tán giữa các hạt CBN và Al có thể xảy ra, còn trường hợp thứ hai có thể là sự kết tinh lại của chất dính kết tạo nên cấu trúc mới làm giảm liên kết của các hạt CBN với chất dính kết. Hình 1.30 chỉ ra độ cứng của mactensit so với độ cứng của một số loại cácbít trong thép chứng tỏ vai trò của cácbít trong việc thúc đẩy tốc độ mòn dụng cụ (Cácbít MC có độ cứng cao gấp 4 lần so với mạng mactensit). Ảnh hưởng của vận tốc cắt khi gia công thép là ảnh hưởng của nhiệt độ trong vùng cắt đến các hạt mactensit làm thay đổi tốc độ mòn. Vận tốc cắt ít ảnh hưởng hơn đến tốc độ mòn của thép có chứa các hạt cácbít là do các bít này rất ổn định ở nhiệt độ trong vùng cắt. Khi sử dụng dụng cụ CBN với chất dính kết là TiC và Al2O3 và dụng cụ ceramics (Al2O3 + TiC) gia công thép hợp kim tôi AISI 4340 với độ cứng trong dải 35 ÷ 60HRC, Luo đã phát hiện ra giá trị độ cứng tới hạn là 50HRC cho cả lực cắt, nhiệt độ cắt và tuổi bền. Cơ chế mòn chính của mảnh dao CBN là cào xước (abrasion) chất kết dính bằng các hạt cácbít trong vật liệu phôi, còn đối với dao ceramics cả mòn do dính và abrasion đều phát triển [14]. Mòn mặt trước là dạng mòn phổ biến khi gia công thép tôi cứng, Poulachon và đồng nghiệp [15] đã chỉ ra rằng vùng mòn mặt trước của dao CBN khi gia công bốn loại thép trên chia làm hai vùn g rõ rệt zone 1 không tồn tại lớp đọng và zone 2 tồn tại lớp đọng có thể giảm mòn dao cào xước nhưng cũng có thể tăng tốc độ mòn hoá học trên vùng này. Độ cứng của vật liệu gia công ảnh hưởng trực tiếp đến quy luật phát triển nhiệt độ trong vùng cắt và đến mòn mặt sau. Liu và đồng nghiệp [35], Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng (từ 30 ÷ 64HRC) đến quy luật mòn mặt sau của dao PCBN khi tiện thép GCr15 cho thấy mòn xảy ra với tốc độ cao nhất trong khoảng độ cứng của vật liệu gia công 40 ÷ 50HRC và thấp hơn trong dải độ cứng 64 ÷ 60HRC. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ảnh hưởng của vận tốc cắt đến dụng cụ PCBN ít hơn nhiều so với dụng cụ cácbít và ceramics. Các nghiên cứu của Poulachon và đồng nghiệp [36] cho thấy các rãnh mòn trên mặt sau của dụng cụ cùng cỡ với các hạt cácbít trong vật liệu gia công có cấu trúc tế vi mịn và cùng cỡ với các hạt martensite với vật liệu gia công có cấu trúc tế vi thô. Thông qua nghiên cứu về các cơ chế mòn của dụng cụ cắt, đồng thời qua hình 1.24 ta thấy rằng, trong tiện cứng ( đó là quá trình cắt liên tục) sử dụng mảnh PCBN do vận tốc cắt cao nên mòn dụng cụ xảy ra theo cơ chế mòn do hạt mài là chủ yếu, ngoài ra dụng cụ còn bị mòn do khuếch tán, hoặc xảy ra đồng thời với cả hai cơ chế mòn và mòn do dính là không hoặc rất khó xảy ra vì mòn do dính chỉ xảy ra khi gia công ở vận tốc cắt thấp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ MÒN DỤNG CỤ PCBN VÀ NHÁM BỀ MẶT 2.1. Thí nghiệm 2.1.1. Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm Trong nghiên cứu khoa học việc xây dựng hệ thống thí nghi ệm cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau: - Đáp ứng được yêu cầu của vấn đề lý thuyết cần nghiên cứu. - Đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định. - Đảm bảo việc thu thập và xử lý các số liệu thí nghiệm thuận lợi. - Đảm bảo tính khả thi. - Đảm bảo tính kinh tế. Hệ thống thiết bị thí nghiệm phục vụ cho đề tài được đặt tại xưởng cơ khí của Thầy Cô giáo Thạc sỹ Lê Viết Bảo – Thạc sỹ Nguyễn Thị Quốc Dung - Khoa cơ khí - Trường ĐHKTCNTN 2.1.2. Mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm đã sử dụng thể hiện trên hình 2.1 t nct 1 4 2 3S Hình 2.1: Mô hình thí nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 1.Mâm cặp 2. Mũi chống tâm 3. Dao 4. Chi tiết gia công 2.1.3. Thiết bị thí nghiệm 2.1.3.1. Máy Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNC – HTC 2050 (Trung Quốc) hình 2.2 Hình 2.2: Máy tiện CNC – HTC 2050 2.1.3.2. Dao Mảnh dao PCBN hình tam giác ký hiệu TPGN 160308 T2001, EB28X chỉ ra trên hình 2.3 với L = 16 mm, LC = 9,25 mm, T = 3,18mm, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 R = 0,8 mm. Hàm lượng CBN là 50%, chất kết dính TiC, cỡ hạt 2 µ m, γ = - 11o, α =22o, λ = -11o (góc sau khi đã gá mảnh dao lên thân dao và thân dao lên máy). (T: mảnh tam giác, P: góc sau 11o, G: cấp dung sai của mảnh, N: kiểu cơ cấu bẻ phoi, L = 16mm, 03 ≈ chiều dày, T = 3,18mm, R = 0,8mm) Sử dụng thân dao: MTENN 2020 K16 – N (hãngCANELA) hình 2.4 Hình 2.3: Mảnh dao PCBN sử dụng trong nghiên cứu Hình 2.4: Thân dao MTENN 2020 K16 – N 2.1.3.3. Phôi Thép 9XC là thép hợp kim dụng cụ thường sử dụng chế tạo các dụng cụ cắt với vận tốc thấp và các chi tiết có yêu cầu về khả năng chịu ma sát, mòn cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 Phôi thép hợp kim 9XC sử dụng trong thí nghiệm có chiều dài: L = 300mm, đường kính: φ 62, tôi thể tích đạt độ cứng 54 ÷58 HRC. Thành phần hoá học của phôi được xác định bằng phương pháp phân tích quang phổ tại nhà máy Z159 trong bảng 2.1. Cấu trúc kim tương của thép trên hình 2.5. Bảng 2.1: Thành phần hoá học của phôi thép 9XC (%) Nguyên tố hoá học C Si P Mn Ni Cr Mo Hàm lượng (%) 0,8623 1,2351 0,0241 0,58613 0,03216 1,113 0,01917 Nguyên tố hoá học V Cu W Ti Al Fe Hàm lượng (%) 0,14987 0,28763 0,1768 0,0299 0,0011 95,4722 Hình 2.5: Cấu trúc kim tương của thép 9XC sử dụng trong thí nghiệm. a. Trong mặt cắt song song. b. Vuông góc với trục (x400). Từ hình 2.5 có thể thấy trong cấu trúc kim tương của phôi tồn tại các hạt các bít (FeCr)3C với mật độ cao và đường kính tới khoảng 3 µm. 2.1.3.4. Chế độ cắt Vận tốc cắt: v = 180 m/p; 160 m/p; 140 m/p; 120 m/p; 100 m/p. Lượng chạy dao: s = 0,1 mm/vòng; chiều sâu cắt: t = 0,12 mm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 2.1.3.5. Thiết bị đo nhám bề mặt Sử dụng máy đo nhám Mitutoyo SJ – 201 của Nhật Bản. Các thông số kỹ thuật cơ bản; - Hiển thị LCD. Tiêu chuẩn DIN, JIS, ANSI. - Thông số đo được: Ra, Rs, Rt, Rq, Rp, Ry, Pc, S, Sm. - Độ phân giải: 0,03 µm/300 µm, 0,08 µm/75 µm, 0,04 µm/9,4 µm. - Bộ chuyển đổi A/D: RS232. - Phần mềm điều khiển và sử lý số liệu MSTATW324.0 2.1.3.6. Thiết bị phân tích bề mặt và kim tương Sử dụng kính hiển vi điện tử TM -1000 Hitachi, Nhật Bản có độ phóng đại dến 1000 lần, tại phòng thí nghiệm Vật lý trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên. Kính hiển vi quang học AXOVOC – 1000 của Nhật Bản tại phòng thí nghiệm vật liệu của trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 2.2. Trình tự thí nghiệm Phôi thép 9XC sau khi được tiện thô bằng mảnh dao hợp kim cứng K01 đảm bảo độ côn không vượt quá 0,05 mm/ 100 mm chiều dài phôi. Sau đó sử dụng mảnh dao PCBN tiện tinh qua một lượt trước khi tiến hành thí nghiệm và trước mỗi lần thay mảnh dao mới. Quá trình thí nghiệm tiến hành như sau: - Đánh số thứ tự các mảnh dao từ số 1 đến số 5. - Gá phôi vào chấu cặp sao cho đảm bảo độ đồng tâm cao (do quá trình tạo chuẩn thô trên máy khi tiện thô phôi thép về φ 60). - Gá mảnh dao số 1 vào thân dao trên máy, kẹp chặt, chọn điểm chuẩn phôi, dao và chế độ cắt trên màn hình điều khiển. Cho dao chạy hết chiều dài ứng với một lần cắt L1 = 250 mm. Dừng máy tiến hành đo nhám bề mặt (chi tiết vẫn phải kẹp chặt trên chấu cặp). Ở đây, nhám được đo theo phương đường sinh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 tại 4 vị trí khác nhau trên phôi, lấy giá trị trung bình của 4 lần đo ta được trị số Ra, Rz. Tháo m ảnh dao và đặt vào vị trí đã được đánh dấu trước. - Gá mảnh dao số 2 vào thân dao trên máy, quá trình lặp lại tương tự, chỉ khác số lần cắt tăng gấp 2 ứng với L2 = 500 mm,… đo nhám tương tự lần 1, và tiếp tục tiến hành theo quy luật này tới mảnh dao số 5. Năm mảnh dao được sử dụng để tiện tinh phôi thép 9XC, nhám bề mặt được đo sau 5 khoảng thời gian cắt nhất định: 2,61 phút; 5,19 phút; 7,69 phút; 10,09 phút; 12,36 phút tương ứng với chiều dài cắt trên phôi: 250mm; 500 mm; 750 mm; 1000 mm; 1250 mm.Sau đó các mảnh dao được tháo ra, quan sát và phân tích trên kính hiển vi điện tử TM – 1000. Bảng 2.2: Vận tốc cắt và các thông số nhám Mảnh dao số Số lần cắt Chiều dài cắt (mm) Vận tốc cắt (m/p) Thông số nhám Ra (Rz) [µm] Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 Lần đo 4 Trung bình 1 1 250 160 0,39 (2,28) 0,41 (2,35) 0,39 (2,28) 0,42 (2,45) 0,40 (2,34) 2 2 500 160 0,38 (2,47) 0,40 (2,23) 0,41 (2,31) 0,37 (2,12) 0,39 (2,28) 3 3 750 140 0,42 (2,41) 0,46 (2,86) 0,46 (2,73) 0,44 (2,70) 0,45 (2,68) 4 4 1000 140 0,72 (3,04) 0,80 (3,57) 0,76 (3,25) 0,79 (3,69) 0,77 (3,39) 5 5 1250 120 0,72 (3,40) 0,70 (3,14) 0,66 (2,80) 0,70 (3,20) 0,70 (3,14) 2.3. Kết quả thí nghiệm 2.3.1. Tương tác ma sát giữa phoi và mặt trước Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 Sau khi tiện 2,61 phút, trên mặt trước của dao xuất hiện bám dính của vật liệu gia công trên bề mặt với bề rộng xấp xỉ 150 µm, cung mòn bắt đầu xuất hiện trên lưỡi cắt chính. Sau khi tiện 5,19 phút, vật liệu gia công bám dính trên mặt trước của dao tăng lên với bề rộng khoảng 200 µm, cung mòn mặt trước trên lưỡi cắt chính kéo dài về phía đỉnh cung tròn của lưỡi cắt. Sau 7,69 phút cắt, bề rộng của vùng vật liệu gia công dính trên mặt trước vẫn giữ không đổi khoảng 200 µm, chiều dài cung tròn trên lưỡi cắt chính tăng chút ít. Khi thời gian cắt tăng lên đến 10,09 phút chiều dài cung tròn mặt trước tiến tới đỉnh cung tròn mũi dao, chiều rộng vùng mòn mặt trước giữ không đổi xấp xỉ 200 µm. Có thể thấy vật liệu gia công dính nhiều nhất trên vùng phoi tách ra khỏi mặt trước. Hình 2.6: Hình ảnh mặt trước của mảnh dao PCBN khi cắt với vận tốc cắt 180 m/p chụp trên kính hiển vi điện tử a. Sau khi tiện 2,61 phút b. Sau khi tiện 5,19 phút Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 c. Sau khi tiện 7,69 phút d. Sau khi tiện 10,09 phút Hình ảnh vùng mặt trước sau 7,69 và 10,09 phút gia công được thể hiện trên hình 2.6a và 2.6b. Có thể thấy rõ vật liệu gia công dính tập trung ở vùng phoi thoát khỏi mặt trước của dụng cụ chứ không phải vùng gần lưỡi cắt thể hiện rõ trên hình 2.7(c). Hình 2.7(d) thể hiện bề mặt của vùng mòn trên lưỡi cắt với các rãnh biến dạng dẻo của bề mặt do cào xước của các hạt cứng. Vật liệu dụng cụ trên vùng này hầu như chỉ còn pha thứ hai là TiC và Co, các hạt CBN hầu như bị bóc tách khỏi bề mặt mòn. Hình 2.7: Hình ảnh phóng to vùng vật liệu gia công dính trên mặt trước của dụng cụ khi cắt với vận tốc cắt 180 m/p a. Sau 7,69 phút gia công b. Sau 7,69 phút gia công c. Hình ảnh phóng to của (b) d. Hình ảnh vùng mòn trên lưỡi cắt chính sau 2,61 phút gia công. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 Từ các kết quả thí nghiệm có thể thấy vùng mặt trước của dụng cụ có thể chia thành ba vùng rõ rệt theo phương thoát phoi thông qua mức độ dính của vật liệu gia công với mặt trước. Hình 2.6c và hình 2.7b thể hiện rất rõ mô hình ba vùng này. Chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước thay đổi tăng dần từ mũi dao đến vùng tiếp xúc giữa bề mặt tự do của phoi với mặt trước. Vùng một nằm sát lưỡi cắt với những vết biến dạng dẻo bề mặt do các hạt cứng trong vật liệu gia công gây nên (hình 2.7d), vùng hai tiếp theo với sự dính nhẹ của vật liệu gia công trên mặt trước, vùng ba là vùng phoi thoát ra khỏi mặt trước, ở đây vật liệu gia công dính nhiều trên bề mặt (hình 2.7b và hình 2.7c). Theo các kết qủa nghiên cứu của Tren [11] thì vùng một ng