khảo sát mòn và chất lượng bề mặt gia công khi tiện lỗ thép hợp kim qua tôi bằng dao pcbn

Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện [19] Hình 2.6.. Phương pháp tiện cứng có một vị trí quan trọng trong gia công c

Trang 1

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

PHẠM THỊ TUYẾN

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT MÒN VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG KHI TIỆN LỖ THÉP HỢP KIM

QUA TÔI BẰNG DAO PCBN

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học

HDKH: PGS.TS Phan Quang Thế

THÁI NGUYÊN - 2010

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

*********************

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Họ và tên học viên: Phạm Thị Tuyến

GV hướng dẫn:PGS.TS Phan Quang Thế

Tên đề tài : Khảo sát mòn và chất lượng bề mặt gia công khi tiện lỗ thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN

Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy

PGS.TS Phan Quang Thế Phạm Thị Tuyến

KHOA ĐÀO TẠO BAN GIÁM HIỆU

DẪN KHOA HỌC

Trang 3

Mục lục

Lời nói đầu……… 7

1 Tính cấp thiết của đề tài 7

2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu………11

3 Phương pháp nghiên cứu 11

4 Ý nghĩa của đề tài 11

4.1 Ý nghĩa khoa học 11

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 11

NỘI DUNG ĐỀ TÀI Chương I Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tiện cứng……… …12

1.1 Tìm hiểu về công nghệ tiện cứng 12

1.1.1 Giới thiệu chung 12

1.1.2 Máy và dụng cụ trong tiện cứng 13

1.1.3 Vật liệu CBN, cấu trúc của mảnh dao 15

1.2 Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu về tiện cứng 18

1.3 Kết luận 19

Chương 2 Chất lượng bề mặt khi tiện cứng và mòn dụng cụ……… 20

2.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt 20

2.2 Bản chất của lớp bề mặt 21

2.3 Tính chất lý hoá của lớp bề mặt 21

2.3.1 Lớp biến dạng 21

2.3.2 Lớp Beilbly 22

2.3.3 Lớp tương tác hóa học 22

2.3.4 Lớp hấp thụ hóa học 22

2.3.5 Lớp hấp thụ vật lý 23

2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện cứng 23

2.4.1 Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá 23

2.4.2 Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 24

2.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng 32

2.5.1 Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt 32

2.5.2 Ảnh hưởng của tốc độ cắt 33

2.5.3 Ảnh hưởng của lượng chạy dao 34

2.5.4 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 35

2.5.5 Ảnh hưởng của vật liệu gia công 35

2.5.6 Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ 35

2.6 Mòn dụng cụ cắt 36

2.6.1 Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt 36

2.6.2 Mòn dụng cụ cắt và cách xác định 39

2.6.3 Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng 43

2.6.4 Kết luận 43

Trang 4

2.7 Tuổi bền của dụng cụ cắt 43

2.7.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 44

2.7.2 Phương pháp xác định tuổi bền dụng cụ cắt 47

2.7.3 Tuổi bền của dụng cụ cắt khi tiện cứng 49

2.8 Kết luận chương 2 49

Chương 3 Xây dựng hệ thống thực nghiệm ……… …… …… 50

3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 50

3.1.1 Chọn thông số vào 50

3.1.2 Chọn chỉ tiêu đánh giá 52

3.1.3 Nhiễu khi tiện cứng 54

3.2 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm 54

3.2.1 Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm 54

3.2.2 Chọn loại kế hoạch thực nghiệm và mô hình hồi quy thực nghiệm 55

3.2.3 Xác định miền qui hoạch 67

3.3 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 68

3.3.1 Máy thí nghiệm 68

3.3.2 Vật liệu thí nghiệm 70

3.3.3 Dao 71

3.3.4 Chế độ cắt 72

3.3.5 Hệ thống đo lường 72

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và thảo luận kết quả………74

4.1 Các bước nghiên cứu tối hóa quá trình tiện lỗ thép 9XC qua tôi… 74

4.1.1 Các hàm mục tiêu khi tiện tinh lỗ thép 9XC qua tôi 74

4.1.2 Chọn dạng hàm hồi quy 74

4.2 Tối ưu hóa quá trình tiện lỗ thép 9XC qua tôi bằng dao gắn mảnh PCBN 78

4.2.1 Xây dựng thuật toán quy hoạch thực nghiệm 78

4.2.2 Xác định hàm hồi quy 79

4.3 Nghiên cứu hình thái, cấu trúc và tính chất cơ lý lớp bề mặt và cơ chế mòn của mảnh dao PCBN……….84

4.3.1 Nghiên cứu hình thái bề mặt mảnh dao PCBN 84

4.3.2 Nghiên cứu cấu trúc và tính chất cơ lý lớp kim loại bề mặt 88

4.4 Thảo luận kết quả nghiên cứu khi tiện cứng thép 9XC bằng mảnh dao PCBN 89

Phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài……….91

1 Kết luận chung …… 91

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO.……… 92

Trang 5

Trang

Hình 1.2 Máy tiện CNC MaJax NHật 12

Hình 1.3 Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện

Hình 2.2 Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với

các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chưa bị mòn) [7]

24

Hình 2.3 Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng ứng với

các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện [19]

Hình 2.6 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép 30

Hình 2.7 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 31

Hình 2.8 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên tục (a)

và khi cắt gián đoạn (b)

33

Hình 2.9 Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện 36

Hình 2.10 Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với

Trang 6

Hình 2.13 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt sau của

dao thép gió S12-1- 4-5 dùng tiện thép AISI C1050, với t = 2mm Thông

Hình 2.17 Quan hệ giữa thời gian cắt, tốc độ cắt và độ mòn của dao 44

Hình 2.18 Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao 44

Hình 2.19 Quan hệ giữa V và T (đồ thị lôgarit) 45

Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 47

Hình 3.2 Sơ đồ khối xử lý kết quả đo 54 Hình 3.3 Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy một biến 55

Hình 3.4 Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy nhiều biến 60 Hình 3.5 Sơ đồ khối thuật toán Gradient 63

Hình 4.3 Đồ thị quan hệ của nhám bề mặt Ra với t,S 78

Hình 4.4 Đồ thị quan hệ của nhám bề mặt Ra với t,V 78

Hình 4.5 Ảnh SEM bề mặt của mảnh dao PCBN khi tiện cứng thép 9XC 80

Trang 7

Trang 8

Bảng 3.2: Thành phần hoá học của mẫu thí nghiệm thép 9XC 67

Bảng 4.1: Giá trị mã hóa và giá trị thực ở các mức của các thông số 73

Bảng 4.2: Ma trận thí nghiệm khi tiện cứng thép 9XC 73

Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm tiện tinh lỗ thép 9XC qua tôi bằng dụng cụ

cắt gắn mảnh PCBN

74

Trang 9

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các chi tiết máy có độ chính xác, chất lượng bề mặt và độ bền cao là cơ

sở cho sự ra đời các loại máy móc, thiết bị hiện đại, có chất lượng cao (độ chính xác, độ tin cậy, độ bền cao…) Phương pháp tiện cứng có một vị trí quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại nhờ khả năng vượt trội so với các phương pháp cắt gọt khác khi gia công những vật liệu có độ bền cơ học và độ cứng cao cho

độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao

Tiện cứng, hay là tiện các thép cứng, được hiểu là phương pháp gia công bằng tiện các chi tiết có độ cứng cao (45 † 70 HRC) Tiện cứng nói chung được tiến hành cắt khô hoặc gần giống như cắt khô và phổ biến sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng như Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN-Polycrystalline Cubic Boron Nitride, thường được gọi là CBN-Cubic Boron Nitride), PCD hoặc Ceramic tổng hợp[10], [16] Sự ra đời và phát triển của vật liệu dụng cụ cắt PCBN như là một giải pháp tối ưu cho tiện cứng

Khi đã tôi cứng, 1 số chi tiết không thể khoan khoét được, vì trong thực tế

có rất nhiều chi tiết phải tôi xong người ta mới gia công, đối với các mặt ngoài

có chiều dài lớn thì có thể mài, nhưng các mặt ngoài có chiều dài ngắn, dùng tiện hiệu quả hơn nhiều như phôi bánh răng, trục cam Mài chỉ có hiệu quả khi chiều dài chi tiết lớn

Các chi tiết bậc nhiều liên tiếp, lỗ nhỏ dùng mài không có hiệu quả, lỗ không mài được nên bắt buộc phải tiện cứng

Sử dụng tiện cứng không những đã trở nên ngày càng phổ biến, mà hiện nay còn là phương pháp được chấp nhận nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm trong gia công cuối Ngày nay bằng cách dùng tiện cứng thay cho mài, sẽ dễ dàng gia công các bề mặt phức tạp của sản phẩm

Trang 10

Tuy nhiên, tiện cứng có một số nhược điểm đáng lưu ý như: Chi phí dụng

cụ cắt cao, nhiệt cắt cao do chủ yếu sử dụng phương pháp cắt khô và cắt ở tốc

độ cắt cao

Chất lượng bề mặt gia công và mòn dụng cụ là hai yếu tố quan trọng trong quá trình gia công Chất lượng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn của chi tiết máy Mòn dụng cụ không chỉ làm giảm độ chính xác hình dạng chi tiết mà còn làm tăng lực cắt, tăng ma sát và nhiệt một cách đáng kể dẫn đến phá huỷ bề mặt chi tiết gia công và dụng cụ cắt Mòn dụng cụ là hàm số của cơ tính của vật liệu gia công và chế độ cắt trong tiện cứng

Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa học cho thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như Cơ chế cắt [6],[7], mòn dao [3],[4], Những nghiên cứu này cho thấy điều kiện cắt (chẳng hạn như tốc độ cắt, lượng chạy dao, hình học dụng cụ, thuộc tính vật liệu của cả chi tiết gia công lẫn dao) ảnh hưởng rõ rệt đến bề mặt gia công cuối, nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công khi tiện tinh thép X12M qua tôi bằng dao gắn mảnh PCBN[1] Tuy nhiên các đề tài nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của chi tiết và dụng cụ khi tiện hoặc phay các bề mặt ngoài với điều kiện gia công dễ, độ cứng vững của hệ thống công nghệ cao nên chất lượng bề mặt đạt được tốt Còn đối với tiện lỗ thì điều kiện gia công khó khăn hơn và phụ thuộc nhiều vào đường kính lỗ, độ cứng vững của hệ thống công nghệ kém hơn, điều kiện thoát phoi thoát nhiệt kém hơn so với tiện ngoài nên chất lượng bề mặt đạt được cũng kém hơn Mặt khác việc nghiên cứu khảo sát mòn và chất lượng bề mặt khi gia công lỗ thép hợp kim bằng tiện cứng còn ít được đề cập đến

Do vậy đề tài:” Khảo sát mòn và chất lượng bề mặt gia công khi tiện lỗ

thép hợp kim qua tôi bằng dao PCBN” là cần thiết và có tính ứng dụng trực

tiếp

Trang 11

2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu.

Nghiên cứu về dạng mòn, cơ chế mòn của dụng cụ và chất lượng bề mặt gia công khi tiện lỗ thép hợp kim qua tôi (9XC) bằng dao PCBN

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết về bản chất vật lý của quá trình tiện cứng và tiện lỗ

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc khảo sát mòn và chất lượng bề mặt khi gia công lỗ thép hợp kim có

ý nghĩa thực tiễn quan trọng Kết quả của việc nghiên cứu này sẽ là cơ sở để áp dụng vào các quá trình gia công lỗ thép hợp kim một cách thích hợp nhất mà phương pháp mài không thể mài được như gia công các lỗ nhỏ thông hoặc các chi tiết có lỗ bậc Cối thuốc viên, cối pin

- Kết quả nghiên cứu cũng có thể dùng làm tham khảo cho các cơ sở sản xuất có sử dụng mảnh dao là vật liệu PCBN

Trang 12

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Chương I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ

1.1 Tìm hiểu về công nghệ tiện cứng

1.1.1 Giới thiệu chung

Tiện cứng (hard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào năm 1988, tuy nhiên công nghệ này chưa có điều kiện phát triển mạnh Cho tới những năm gần đây khi sự đổi mới về khoa học kỹ thuật đang trở thành tất yếu thì tiện cứng

đã phát huy được vai trò to lớn của nó trong việc gia công tinh các sản phẩm thép qua tôi cứng

Từ những năm 1970 các nghiên cứu đã tập trung vào hướng công nghệ mới để đạt được các mục đích này Nhưng phải đến những năm 1990, với sự phát triển mạnh của các máy công cụ tiên tiến và vật liệu Nitrit Bor lập phương thì tiện cứng mới được áp dụng rộng rãi trong chế tạo máy Tiện cứng đã thực sự trở thành công nghệ không thể thiếu trong việc gia công tinh các chi tiết qua tôi cứng Điều này góp phần không nhỏ cho quá trình lớn mạnh của ngành chế tạo máy nói riêng và ngành công nghiệp nói chung

Các chi tiết như con lăn dùng trong cán thép, vòi phun và những chi tiết của

hệ thống thuỷ lực, sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn Các nguyên công này thường thiếu linh hoạt và mất nhiều thời gian Hơn nữa chi phí dung dịch trơn nguội cho nguyên công mài cũng khá cao Mặt khác chất thải khi mài ngày càng là vấn đề của môi trường sống Những lý do trên đã thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công tinh chi tiết

Qua đó có thể kết luận rằng, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công tinh lần cuối đã mang lại những lợi ích sau[10],[11],[12],[18]:

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

Trang 13

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị

- Tăng độ chính xác gia công

- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn

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

- Gia công được các contour phức tạp

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

- Có thể chọn gia công có hoặc không có dụng dich trơn nguội Gia công khô giảm chi phí gia công và không có chất thải ra môi trường

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

dư nén khi gia công, điều này đặc biệt có lợi với những chi tiết yêu cầu độ bền mỏi cao Điều này với mài lại là một bất lợi Mặc dù vậy tiện cứng cũng có những nhược điểm cần lưu ý như: do chủ yếu cắt khô nên nhiệt rất cao, dụng cụ

có lưỡi cắt đơn nên quá trình cắt không ổn định, chi phí dụng cụ cắt cao, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằm ngoài vùng cho

phép (trục dài), khi chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới hạn (t min) thì quá trình cắt không thể thực hiện được

1.1.2 Máy và dụng cụ trong tiện cứng

Máy sử dụng trong tiện cứng thường là các máy CNC có tốc độ được điều chỉnh vô cấp, điều này giúp chọn được tốc độ tối ưu khi tiện Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại máy tiện CNC của các hãng như: Nhật, Đức, Trung Quốc …

Trang 14

Hình 1.1 Máy tiện CNC – Nhật

Hình 1.2 Máy tiện CNC MaJax NHật

Vật liệu dụng cụ khi tiện cứng thường sử dụng là các mảnh vật liệu siêu cứng CBN (Cubic boron nitride), PCBN, PCD hoặc Ceramic tổng hợp nhằm thay thế cho mài trong gia công thép qua tôi (thường  50HRC) Phương pháp này có thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá Cấp chính xác khi

tiện cứng có thể đạt IT5-7, nhám bề mặt Rz = 2 - 4m, rõ ràng với chất lượng đạt được như vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế được cho mài trong hầu hết các trường hợp gia công tinh các sản phẩm

Hình 1.3 Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng

Trang 15

Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn (các trục ngắn), con lăn, các lỗ lắp bi của con lăn, các lỗ cần độ chính xác cao sau khi tôi tới các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn

Để áp dụng công nghệ này hệ thống máy, dao, đồ gá phải đảm bảo các yêu cầu như: Máy tiện đủ độ cứng vững, đủ tốc độ quay trục chính và công suất phù hợp Chính vì vậy mà các máy tiện NC, CNC được khuyến cáo thực hiện công việc này

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

Đồ gá trong tiện cứng phụ thuộc vào biên dạng các sản phẩm yêu cầu Nhìn chung các chi tiết gia công đều được cắt mà ít sử dụng đồ gá phụ vì lý do độ cứng vững cần có trong tiện cứng Hơn nữa với các máy điều khiển số thì điều này không còn nhiều ý nghĩa Các đồ gá phụ thường kèm theo các máy khi sản xuất

1.1.3 Vật liệu CBN, cấu trúc của mảnh dao

Dao tiện thường sử dụng là các mảnh lắp ghép với thân theo tiêu chuẩn của từng máy Các mảnh có nhiều loại theo hình dạng, phần trăm lượng CBN, chất kết dính, Khi hết tuổi bền các mảnh không thể mài lại như các dao thông thường Chúng được thay ra hoặc xoay đi dùng lưỡi cắt mới (với mảnh nhiều lưỡi)

Các mảnh hợp kim CBN thường sử dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA, DNMA, TNG, Các mảnh hợp kim cương thường là CCMT, CPGM, nói chung hàm lượng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất Người ta phân ra làm ba loại, hàm lượng cao (nhiều hơn 90% CBN), trung bình ( khoảng 72% CBN) và thấp (nhỏ hơn 60% CBN) Các mảnh có hàm lượng cao thường sử dụng cho tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột, gang và một số hợp kim đặc biệt

So với mảnh carbide thì các mảnh CBN đắt hơn đáng kể (từ 4 -5 lần), nhưng dao CBN chế tạo được nhiều sản phẩm hơn Chi phí dao cụ sẽ không đáng

kể khi tính đến việc loại nguyên công mài tinh Nhiều xưởng sản xuất còn nhận

Trang 16

thấy rằng việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô bù đắp lượng chi phí cao hơn về dao

Hình 1.4 Mảnh hợp kim có CBN ở mũi

PCBN được tạo thành bằng cách thấm các hạt CBN vào nền carbide liên kết ở nhiệt độ cao (1700 – 1800oC), áp suất 6.900MPa Lớp nền carbide gồm các hạt carbide wolfram nhỏ liên kết chặt chẽ với nhau bằng cobalt Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, cobalt bị chảy lỏng và bao các CBN, liên kết các hạt mài Quá trình này tạo ra một khối đa tinh thể Cấu trúc đa tinh thể của CBN có các tính chất ổn định đẳng hướng, chống được sự mẻ và rạn nứt, có độ cứng đồng nhất và tính chống mòn cao theo mọi hướng Các mảnh dao làm bằng PCBN có tính cắt gọt rất tốt Có thể cắt ở tốc độ cao, chiều sâu cắt lớn, gia công được các thép đã tôi cứng và các hợp kim bền nóng (độ cứng trên 35HRC) như inconel

600, rene, stellite, colmonoy…

Trang 17

Hình 1.5 Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng

So sánh tiện cứng với tiện thường và mài

Tiện cứng có những khác biệt đáng kể so với tiện truyền thống vật liệu mềm Bởi vì vật liệu trong tiện cứng có độ cứng cao hơn nên lực cắt sinh ra khi tiện cứng cũng lớn hơn Vì thế lượng ăn dao khi tiện cứng phải được giới hạn Trong hầu hết các trường hợp, mảnh hợp kim tiện cứng phải có các thông số hình học âm Góc trước âm tạo điều kiện cắt gọt tốt cho lưỡi cắt vì tốc độ càng cao và chiều sâu cắt tương đối nhỏ tập trung lực ở đó Tuy nhiên, đôi khi doa lỗ thì góc

Trang 18

trước dương là tốt nhất Tương tự như vậy, để bảo vệ lưỡi cắt không bị mẻ, trên mảnh hợp kim người ta vát mép các lưỡi cắt hoặc bo tròn

Tiện thông thường bị giới hạn bởi độ cứng của vật liệu Trong khi đó dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với thép rèn đã tôi, thép gió, và hợp kim cứng bề mặt stellites Việc hợp kim stellites có thể được gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể cả công việc sửa chữa Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với thép rèn đã tôi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites Việc hợp kim stellites

có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể cả trong công việc sửa chữa Vật liệu điển hình được tiện cứng là các thép hợp kim qua tôi cứng

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

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

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

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

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

sử dụng chế độ cắt này Họ có thể đạt dung sai kích thước là rất nhỏ nếu thời gian chế tạo lâu hơn và nhám bề mặt rất nhỏ Ngoài ra giá thành máy mài có thể đắt gấp 2-3 lần máy tiện Trong nhiều phân xưởng hiện nay họ đã thay thế tiện cứng cho mài truyền thống Đồng thời khi sử dụng tiện cứng thời gian chu kỳ và điều chỉnh ngắn hơn nhiều so với mài

1.2 Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu về tiện cứng.

Qua phần giới thiệu về công nghệ tiện cứng có thể thấy rằng, việc nghiên cứu về tiện cứng, phân tích các quá trình lý, hóa trong tiện cứng đã và đang được quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các trường đại học trên thế giới Tuy nhiên từ những công bố trên các tạp chí khoa học cho thấy các kết quả nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình tiện cứng thép ổ lăn AISI

52100 (tiêu chuẩn Mỹ) Đồng thời các nghiên cứu này chưa đề cập nhiều về vấn

Trang 19

đề mòn và tuổi bền của các mảnh dao, đặc biệt với loại thép 9XC, mặt khác việc ứng dụng công nghệ này ở nước ta còn mang nhiều tính kinh nghiệm Đưa ra được một lý thuyết góp phần cải thiện và nâng cao hiệu quả sản xuất là một tất yếu của các nhà chuyên môn

Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa học cho thấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như Cơ chế cắt [1,2], mòn dao [3,4], Những nghiên cứu này cho thấy điều kiện cắt (chẳng hạn như tốc độ cắt, lượng chạy dao, hình học dụng cụ, thuộc tính vật liệu của cả chi tiết gia công lẫn dao) ảnh hưởng rõ rệt đến bề mặt gia công cuối, nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công khi tiện tinh thép X12M qua tôi bằng dao gắn mảnh PCBN[6]

1.3 Kết luận

- Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện cứng đến mòn và tuổi bền mảnh dao là cần thiết đối với công đoạn gia công tinh Đặc biệt khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta Việc tìm ra bộ thông số cắt và mối quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với một khoảng giá trị độ cứng cụ thể cho từng trường hợp tiện như tiện các bề mặt ngoài và các bề mặt lỗ là vấn đề có tính ứng dụng cao

- Ta lại biết rằng tiện cứng chủ yếu dùng trong gia công tinh, mảnh dao thường có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của mảnh dao càng trở nên quan trọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gian máy, ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm

Trang 20

Chương 2 CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN

CỨNG VÀ MÒN DỤNG CỤ CẮT

2.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt

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

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

ứng của chúng đối với môi trường làm việc

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

thể Chất lượng bề mặt là mục tiêu chủ yếu cần đạt ở bước gia công tinh các bề mặt chi tiết máy

Lớp bề mặt chi tiết máy khác với lớp lõi về cấu trúc kim loại, về tính chất cắt gọt và trạng thái biến cứng Nguyên nhân của hiện tượng này là do quá trình biến dạng dẻo lớp bề mặt Mức độ và chiều sâu biến cứng bề mặt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố này cũng ảnh hưởng tới lực cắt và nhiệt cắt Đối với các bề mặt chịu tải trọng lớn cần đặc biệt chú ý tới tính cơ lý của lớp bề mặt

Bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau Bề mặt kim loại có thể được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặc tính khác nhau Để xác định đặc trưng của bề mặt ta cần biết mô hình và định luật kim loại nguyên chất – không có tương tác với các môi trường khác và sự khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong Sau đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trường

để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực

Nhiều tính chất khối của vật liệu có quan hệ đến bề mặt ở mức độ khác nhau Thường các tính chất lý, hóa của các lớp bề mặt là quan trọng, tuy nhiên các đặc trưng cơ học như độ cứng và phân bố ứng suất trong lớp này cũng cần được quan

tâm [8]

Trang 21

2.2 Bản chất của lớp bề mặt

Bề mặt vật rắn hay chính xác là một mặt phân cách rắn-khí hay rắn-lỏng, có cấu trúc và tính chất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, phương pháp tạo nên bề mặt đó và tương tác giữa bề mặt đó với môi trường xung quanh

Các tính chất của bề mặt vật rắn rất quan trọng đối với tương tác bề mặt, bởi vì các tính chất bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới diện tích tiếp xúc thực, ma sát, mòn và bôi trơn Hơn nữa các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quang trọng trong các ứng dụng khác nhau như: quang học, điện, nhiệt, sơn và trang trí Bề mặt vật rắn, bản thân nó bao gồm vài vùng có tính chất cơ, lý khác nhau với vật liệu khối bên trong đó là lớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tương tác hoá học, lớp Beilbly, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là lớp vật liệu nền [3]

Líp biÕn d¹ng khèc liÖt (110m) Líp biÕn d¹ng Ýt(110m)

VËt liÖu c¬ b¶n

Trang 22

là lớp biến dạng cứng là một bộ phận quan trọng của vùng bề mặt Ứng suất dư trong lớp biến dạng dẻo có thể có thể ảnh hưởng tới sự

làm việc ổn định cũng như kích thước chi tiết

Chiều dày của lớp biến dạng dẻo phụ thuộc vào hai yếu tố: công hoặc năng lượng của quá trình biến dạng và bản chất của vật liệu Chiều dày của lớp này thường từ 1 - 100m tuỳ theo mức độ biến dạng cũng như tốc độ biến dạng Kích thước hạt trong các lớp biến dạng dẻo này thường rất nhỏ do bị biến dạng với tốc

độ cao kèm theo quá trình kết tinh lại Hơn nữa các tinh thể và hạt tại bề mặt tiếp xúc chung tự định hướng lại trong quá trình trượt giữa hai bề mặt [8]

2.3.3 Lớp tương tác hóa học

Lớp ôxy hóa có thể tạo thành trong quá trình gia công cơ hay ma sát Nhiệt sinh ra trong các quá trình tạo hình hoặc ma sát làm tăng tốc độ ôxy hóa và tạo nên nhiều loại ôxit khác nhau Khi cặp đôi ma sát hoạt động trong không khí phản ứng có thể xảy ra giữa các lớp ôxit của hai bề mặt Sự tồn tại của chất bôi trơn và chất phụ gia có thể tạo nên các lớp ôxits bảo vệ bề mặt quan trọng

Lớp ôxy hóa có thể gồm một hay nhiều lớp thành phần Sắt có thể tạo thành ôxít sắt với hỗn hợp các ôxít Fe3O4, Fe2O3 và lớp FeO trong cùng Với hợp kim, lớp ôxít bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài ôxít, một số ôxít có tác dụng bảo

vệ không cho quá trình ôxy hóa tiếp tục xảy ra như trên bề mặt của nhôm và titan

2.3.4 Lớp hấp thụ hóa học

Trang 23

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

cả bề mặt kim loại và á kim Lớp hấp thụ hoá học được hình thành trên cơ sở sử dụng chung các electrons, hoặc trao đổi các electrons giữa các lớp hấp thụ và bề mặt vật rắn Trong lớp này tồn tại liên kết rất mạnh giữa bề mặt chất rắn và chất hấp thụ thông qua liên kết cộng hoá trị, vì thế để làm sạch lớp này cần có một năng lượng tương ứng với năng lượng tạo nên liên kết hoá học (10  100 Kcal/mol) Năng lượng này phụ thuộc vào cả tính chất hoá học của bề mặt vật rắn và các tính chất hấp thụ

2.3.5 Lớp hấp thụ vật lý

Bên ngoài lớp hấp thụ hoá học là lớp hấp thụ vật lý, chủ yếu là các phần tử hơi nước, oxy và hyđrô cacbon trong không khí tồn tại dưới dạng đơn hoặc đa

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

loại lớp hấp thụ vật lý Ở đây không tồn tại việc dùng chung hoặc trao đổi electrons giữa các phân tử vật rắn và chất hấp thụ Quá trình hấp thụ vật lý liên quan đến lực Vander Woals Các lực này rất yếu so với lực tương tác trong không khí trơ ở trạng thái lỏng Để làm sạch các lớp hấp thụ này cần rất ít năng lượng (1  2 Kcal/mol) hơn nữa trong môi trường chân không cao (khoảng 10-8Pa) lớp này không tồn tại trên các bề mặt các chất rắn

Có bốn tiêu chuẩn để phân biệt lớp hấp thụ hoá học và vật lý là: lượng nhiệt cần cho hấp thụ, khoảng nhiệt độ cần thiết cho hấp thụ, năng lượng hoạt tính, tính chất và chiều dày của lớp hấp thụ

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

Trang 24

Ngoài ra độ nhám bề mặt còn được đánh giá qua chiều cao nhấp nhô lớn nhất Rmax Chiều cao nhấp nhô Rmax là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và

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

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

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

so sánh với bề mặt gia công và kết luận xem bề mặt gia công đạt cấp độ bóng nào Tuy nhiên phương pháp này chỉ cho phép xác định được cấp độ bóng từ cấp

3 đến cấp 7 và có độ chính xác thấp, phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thực hiện

- So sánh bằng kính hiển vi quang học

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

a Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt

Phương pháp gia công Mức độ biến cứng

Trang 25

Bảng 2.1 Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các

phương pháp gia công cơ

Trong quá trình gia công cơ dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của lớp kim loại bề mặt bị xô lệch và gây biến dạng dẻo ở vùng trước và vùng sau lưỡi cắt Phoi được tạo ra do biến dạng dẻo của các hạt kim loại trong vùng trượt Trong vùng cắt, thể tích riêng của kim loại tăng còn mật độ kim loại giảm làm xuất hiện ứng suất Khi đó nhiều tính chất của lớp bề mặt thay đổi như giới hạn bền, độ cứng, độ giòn được nâng cao, ngược lại tính dẻo dai lại giảm, v.v… Kết quả là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao Mức độ biến cứng và chiều sâu của lớp biến cứng phụ thuộc vào các phương pháp gia công và các thông số hình học của dao Cụ thể là phụ thuộc vào lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại và nhiệt độ trong vùng cắt Lực cắt làm cho mức độ biến dạng dẻo tăng, kết quả là mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt tăng Nhiệt sinh ra ở vùng cắt sẽ hạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động giữa hai yếu

tố lực cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt Khả năng tạo ra mức độ và chiều sâu biến cứng của lớp bề mặt của các phương pháp gia công khác nhau được thể hiện trong bảng 2.1

Qua nghiên cứu bằng mô hình nhiệt cắt đồng thời tiến hành thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến chiều sâu lớp biến cứng (lớp

Trang 26

trắng) trong tiện cứng của Kevin Chou và Hui Song [17], [18] kết quả đều cho thấy chiều sâu của lớp biến cứng phụ thuộc vào bán kính mũi dao (hình 2.2)

Khi dao còn mới (dao chưa bị mòn), chiều sâu lớp biến cứng giảm khi tăng bán kính mũi dao do chiều dày lớp phoi không được cắt nhỏ Tuy nhiên khi dao

bị mòn nhiều thì chiều sâu lớp trắng lại tăng theo bán kính mũi dao bởi vì khoảng cách giữa lưỡi cắt và bề mặt gia công là nhỏ hơn

Đồng thời Kevin Chou và đồng nghiệp [19] cũng đã chứng tỏ chiều sâu của lớp biến cứng phụ thuộc vào vận tốc cắt đồ thị hình 2.3 Chiều sâu lớp biến cứng tăng tỷ lệ theo vận tốc cắt Với cùng vận tốc cắt (V = 2  4 m/s) thì dao bị mòn nhiều hơn sẽ tạo ra được lớp biến cứng có chiều dày lớn hơn khá nhiều so với dao bị mòn ít Tuy nhiên nếu vận tốc cắt quá lớn lại làm giảm chiều sâu của lớp biến cứng

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

Hình 2.2 Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng

với các lượng chạy dao khác nhau (khi dao chưa bị mòn) [17]

Trang 27

Bề mặt bị biến cứng có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết khoảng 20%, tăng độ chống mòn lên khoảng 2 đến 3 lần Mức độ biến cứng và chiều sâu của nó có khả năng hạn chế gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết Tuy nhiên bề mặt quá cứng lại làm giảm độ bền mỏi của chi tiết [3]

b Ứng suất dư trong lớp bề mặt

Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện tượng chuyển pha trong cấu trúc kim loại Quá trình này diễn ra phức tạp Ứng suất dư lớp bề mặt được đặc trưng bởi trị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư Trị số và dấu phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt và dung dịch trơn nguội

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

- Khi gia công trường lực xuất hiện gây biến dạng dẻo không đều trong lớp

bề mặt Khi trường lực mất đi biến dạng dẻo gây ra ứng suất dư trong lớp bề mặt

- Biến dạng dẻo làm tăng thể tích riêng của lớp kim loại mỏng ngoài cùng Lớp kim loại bên trong vẫn giữ thể tích riêng bình thường do đó không bị biến dạng dẻo Lớp kim loại ngoài cùng gây ứng suất dư nén còn lớp kim loại bên trong sinh ra ứng suất dư kéo để cân bằng

- Nhiệt sinh ra ở vùng cắt lớn sẽ nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt làm môđun đàn hồi của vật liệu giảm Sau khi cắt, lớp vật liệu này sinh ra ứng suất dư kéo do bị nguôi nhanh và co lại, để cân bằng thì lớp kim loại bên trong phải sinh ra ứng suất dư nén

Vận tốc cắt (m/s)

Hình 2.3 Quan hệ giữa vận tốc cắt với chiều sâu lớp biến cứng

ứng với các lượng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện [19]

Trang 28

- Trong quá trình cắt thể tích kim loại có sự thay đổi do kim loại bị chuyển pha và nhiệt sinh ra ở vùng cắt làm thay đổi cấu trúc vật liệu Lớp kim loại nào hình thành cấu trúc có thể tích riêng lớn sẽ sinh ra ứng suất dư nén và ngược lại

sẽ sinh ra ứng suất dư kéo để cân bằng

 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư trong lớp bề mặt của chi tiết sau gia công cơ như sau:

- Tăng tốc độ cắt V hoặc tăng lượng chạy dao S có thể làm tăng hoặc giảm

ứng suất dư

- Lượng chạy dao S làm tăng chiều sâu của ứng suất dư

- Góc trước  âm gây ra ứng suất dư nén - ứng suất dư có lợi

- Khi gia công vật liệu giòn bằng dụng cụ cắt có lưỡi gây ra ứng suất dư nén còn vật liệu dẻo thường gây ứng suất dư kéo

Ứng suất dư nén trong lớp bề mặt làm tăng độ bền mỏi của chi tiết, còn ứng suất dư kéo lại làm giảm độ bền mỏi Ví dụ: độ bền mỏi của chi tiết được làm từ thép khi trên bề mặt có ứng suất dư nén có thể tăng lên 50%, còn khi có ứng suất

dư kéo thì giảm 30%

Qua nghiên cứu về tiện cứng (thép AISI 52100, 62HRC), của Patrik Dahlman và các đồng nghiệp [13] đã chỉ ra rằng: thông số hình học của dụng cụ cắt cũng như chế độ cắt đều ảnh hưởng đến ứng suất dư, cụ thể như sau:

- Góc trước (  < 0) của dụng cụ càng lớn thì sẽ tạo ra ứng suất dư nén lớn (có lợi) trên bề mặt gia công Nếu tăng góc trước thì vị trí của ứng suất dư cực đại sẽ nằm sâu hơn trong lớp bề mặt

- Chiều sâu cắt không ảnh hưởng đến ứng suất dư

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

- Bằng cách điều khiển lượng chạy dao cũng như góc trước của dụng cụ có thể khống chế được ứng suất dư trên bề mặt chi tiết gia công cả về trị số cũng như chiều sâu của lớp chịu ứng suất

- Tất cả các thí nghiệm đều cho thấy rằng ứng suất dư nén được sinh ra dưới lớp bề mặt gia công

Trang 29

Meng Liu và các đồng nghiệp [14] cũng cho rằng, bán kính mũi dao và mòn dao có ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất dư trong tiện cứng Các ông đã có các kết luận như sau:

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

P y /P z cũng như P x /P z

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

- Khi dụng cụ cắt bị mòn nhiều dẫn đến tăng cả ứng suất dư kéo cũng như ứng suất dư nén, nhưng ứng suất dư nén thì tăng nhiều hơn Sự phân bố ứng suất

dư do ảnh hưởng của bán kính mũi dao sẽ rõ ràng và mạnh hơn khi lượng mòn của dao tăng Hình 2.4 a,b,c

Từ các đồ thị quan hệ dưới hình 2.4 ta nhận thấy quy luật biến thiên ứng suất

dư lớp bề mặt là có luật tỷ lệ tương ứng

Trang 30

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

Trang 31

 Đánh giá mức độ và chiều sâu lớp biến cứng

Để đánh giá mức độ và chiều sâu lớp biến cứng người ta chuẩn bị một mẫu kim cương rồi đưa mẫu này lên kiểm tra ở máy đo độ cứng

Nguyên lý kiểm tra như sau: dùng đầu kim cương tác động lên bề mặt mẫu lực P, sau đó xác định diện tích bề mặt mẫu do đầu kim cương ấn xuống

Độ biến cứng được xác định theo công thức:

S

Trong đó: Hv - là độ biến cứng (N/mm2);

P - là lực tác dụng của đầu kim cương (N);

S - là diện tích bề mặt đầu đo kim cương ấn xuống (mm2)

Để đo chiều sâu biến cứng, người ta dùng đầu kim cương tác động lần lượt xuống bề mặt mẫu từ ngoài vào trong Sau mỗi lần tác động lại xác định diện tích

bị lún S cho đến khi diện tích S không thay đổi thì dừng lại và đo được chiều sâu biến cứng

 Đánh giá ứng suất dư

Để đánh giá (xác định) ứng suất dư người ta thường sử dụng các phương pháp sau đây:

1) Phương pháp tia Rơnghen: dùng tia Rơnghen kích thích trên bề mặt mẫu một lớp dày 5  10 m và sau mỗi lần kích thích ta chụp ảnh đồ thị Rơnghen Phương pháp này cho phép đo được cả chiều sâu biến cứng Tuy nhiên, phương pháp này rất phức tạp và tốn nhiều thời gian cho việc điều chỉnh đồ thị Rơnghen (mất khoảng 10 giờ cho một lần đo)

2) Phương pháp tính toán lượng biến dạng: Sau khi hớt từng lớp mỏng kim loại bằng phương pháp hoá học và điện cơ khí ta tính toán khối lượng biến dạng của chi tiết mẫu Dựa vào lượng biến dạng này ta xác định được ứng suất dư Cũng có thể dùng tia Rơnghen để đo khoảng cách giữa các phần tử trong lớp kim loại biến dạng và không biến dạng, với khoảng cách này có thể xác định được ứng suất dư

Trang 32

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

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

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

quan hệ giữa các thông số độ nhám Rz, lượng chạy dao S, bán kính mũi dao r và chiều dày phoi nhỏ nhất h min

Sự hình thành độ nhám bề mặt khi gia công bằng các loại dao tiện khác nhau được mô tả ở hình 2.5

Ta thấy rằng rõ ràng hình dáng và giá trị của nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng chạy dao S1 và hình dáng của lưỡi cắt:

- Ảnh hưởng của góc nghiêng chính φ: khi φ tăng thì Rz tăng

- Ảnh hưởng của góc nghiêng phụ φ1 : khi φ1 tăng thì Rz tăng

- Ảnh hưởng của bán kính mũi dao r : khi r tăng thì Rz giảm

- Ảnh hưởng của lượng chạy dao S : khi S tăng thì Rz tăng

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

Ở đây hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r

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

lại tăng Nguyên nhân do S nhỏ hơn bá n kính mũi dao nên xảy hiện tượng trượt của mũi dao trên bề mặt gia công Vì thế khi tiện tinh nếu sử dụng S quá nhỏ sẽ không có ý nghĩa cải thiện chất lượng bề mặt [8], [10], [7]

Trang 33

Hình 2.6 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép

Hình 2.5 Ảnh hưởng của thông số hình học

của dao tiện tới độ nhám bề mặt

Trang 34

kim loại bị phá hủy, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi (lẹo dao bị biến mất ứng với tốc độ cắt trong khoảng

30  60 m/phút) Với tốc độ cắt lớn (lớn hơn 60 m/phút) thì lẹo dao không hình thành được nên độ nhám bề mặt gia công giảm

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

250 m/phút Trong khoảng tốc độ cắt này thì lẹo dao rất khó có thể hình thành vì thế tiện cứng cho phép giảm độ nhám bề mặt bằng cách tăng tốc độ cắt

2.5.3 Ảnh hưởng của lượng chạy dao

Lượng chạy dao ngoài ảnh hưởng mang tính chất hình học còn ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi ở bề mặt gia công làm cho

độ nhám thay đổi Hình 2.7 biểu diễn mối quan hệ giữa lượng chạy dao S với

chiều cao nhấp nhô tế vi Rz khi gia công thép cacbon

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

có độ nhấp nhô tế vi giảm Nếu S < 0,02 mm/vòng thì độ nhấp nhô tế vi sẽ tăng lên (tức là độ nhẵn bóng sẽ giảm xuống) vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của các yếu tố hình học Nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vòng thì biến dạng đàn hồi sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi đồng thời kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học làm tăng độ nhám bề mặt

Để đảm bảo nhám bề mặt thấp và đạt năng suất gia công cao, đối với thép các bon người ta thường chọn giá trị của lượng chạy dao S trong khoảng từ 0,05 đến 0,12 mm/vòng

Trang 35

2.5.4 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt là không đáng kể Tuy nhiên nếu chiều sâu cắt quá lớn sẽ dẫn đến rung động trong quá trình cắt tăng, do

đó làm tăng độ nhám Ngược lại, chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm cho dao bị trượt trên bề mặt gia công và xảy ra hiện tượng cắt không liên tục do đó lại làm tăng

độ nhám Hiện tượng gây trượt dao thường ứng với giá trị của chiều sâu cắt trong khoảng 0,02  0,03mm [2]

2.5.5 Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Vật liệu gia công (hay tính gia công của vật liệu) ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo Vật liệu dẻo và dai (thép ít cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho nhám bề mặt tăng hơn so với vật liệu cứng và giòn [2] Cấu trúc kim loại có độ hạt lớn sẽ làm tăng Rz, khi gia công cắt gọt các vật liệu thường được ram hay thường hóa nhằm đạt cấu trúc hạt nhỏ, phân bố đồng đều hơn Vật liệu có cơ lý tính khác nhau, khi cắt sẽ có lực, nhiệt cắt, tác động lý hoá khác nhau nên sẽ có Rz khác nhau

Trong tiện cứng việc gia công với vận tốc cao và sử dụng mảnh Hợp kim cứng, CBN, đồng thời tiện cứng chủ yếu để gia công tinh nên vấn đề độ cứng không còn là trở ngại lớn Tất nhiên lúc này người ta phải chọn chế độ cắt thích hợp nhất cho các nguyên công

2.5.6 Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ

Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối

có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công dẫn đến làm thay đổi điều kiện

ma sát, gây nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên chi tiết gia công Sai lệch của các

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

sẽ có dao động cưỡng bức Điều này có nghĩa là các bộ phận máy làm việc sẽ có rung động với những tần số khác nhau gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với bước sóng khác nhau

Trang 36

Tình trạng của máy có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt gia công Do vậy muốn đạt được độ nhám bề mặt gia công thấp trước hết cần phải đảm bảo độ cứng vững cần thiết của hệ thống công nghệ [2], [3]

Các máy được khuyến cáo trong tiện cứng vẫn là các máy CNC, vì thế ảnh hưởng của rung động là không nhiều

2.6 Mòn dụng cụ cắt

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 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

Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công

Sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đích làm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ [8]

2.6.1 Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt

Theo Shaw mòn dụng cụ cắt có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hóa

và mỏi Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt, tuy nhiên tùy theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế Ngoài ra dụng cụ còn bị phá hủy do mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo

Theo Loffer trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn phá hủy Ở dải vận tốc cắt

Trang 37

thấp và trung bình, cơ chế mòn do dính và mòn do hạt mài chiếm ưu thế cho cắt liên tục và gián đoạn Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hóa lý trở lên chiếm ưu thế đối với cắt liên tục và tạo nên vùng mòn mặt trước Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến

vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục

Hình 2.8 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn

khi cắt liên tục (a) và khi cắt gián đoạn (b)

Đối với dụng cụ cắt mòn do dính phát triển mạnh đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng thời gian cắt ngắn, hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của các lớp bề mặt dụng

cụ và cường độ dính của nó đối với bề mặt gia công Cường độ này được đặc trưng bởi hệ số cường độ dính Ka là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ xác định Với đa số các cặp vật liệu thì Ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 9000

C  13000C Bản chất phá hủy vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo và dòn Độ cứng của mặt dụng cụ đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu

Trang 38

dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 thì mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần

b Mòn do hạt mài

Trong nhiều trường hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật Trong một số trường hợp hạt cứng sinh ra và đưa vào hệ thống trượt từ môi trường

Môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn đến cường độ của mòn do hạt mài Ví dụ khi gia công cắt trong môi trường có tính hoá học mạnh, lớp bề mặt bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn Armarego cho rằng khả năng chống mòn do hạt mài tỷ lệ thuận với các tính chất đàn hồi và độ cứng của hai bề mặt ở chỗ tiếp xúc [8]

Khuếch tán là một dạng của ăn mòn hoá học trên bề mặt dụng cụ nó phụ thuộc vào tính linh động của các nguyên tố liên quan Tốc độ mòn do khuếch tán không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cao mà còn phụ thuộc và tốc độ của dòng vật liệu gần bề mặt dụng cụ có tác dụng cuốn các nguyên tử vật liệu dụng cụ đi

d Mòn do ôxy hoá

Trang 39

Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng, mòn xảy ra với tốc độ mòn thấp và các hạt mòn oxits nhỏ được hình thành Bản chất của cơ chế mòn này là sự bong ra của các lớp ôxy hoá khi đỉnh các nhấp nhô trượt lên nhau Sau khi lớp ôxy hoá bị bong ra thì lớp khác lại được hình thành theo một quá trình kế tiếp nhau liên tục Tuy nhiên theo Halling thì lớp màng oxit

và các sản phẩm tương tác hoá học với môi trường trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các nhấp nhô Khi đôi ma sát trượt làm việc trong môi trường chân không thì mòn do dính xảy ra mạnh do lớp màng oxits không thể hình thành được

 Thông qua nghiên cứu về các cơ chế mòn của dụng cụ cắt, trong tiện cứng (đó là quá trình cắt liên tục) sử dụng mảnh PCBN do vận tốc cắt cao nên mòn dụng cụ xảy ra theo cơ chế mòn do hạt mài là chủ yếu ngoài ra dụng cụ còn bị mòn do khuếch tán, hoặc xảy ra đồng thời với cả hai cơ chế và mòn do dính là không hoặc rất khó xảy ra vì mòn do dính chỉ xảy ra khi gia công ở vận tốc cắt thấp

Trang 40

Hình 2.9 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 vẽ 2.9a

(e) Biến dạng dẻo lưỡi cắt: V tc 0,61  30

Hình 2.10 Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng

Tiêu đề	Khảo Sát Mòn Và Chất Lượng Bề Mặt Gia Công Khi Tiện Lỗ Thép Hợp Kim Qua Tôi Bằng Dao Pcbn
Tác giả	Phạm Thị Tuyến
Người hướng dẫn	PGS.TS. Phan Quang Thế
Trường học	Đại Học Thái Nguyên
Chuyên ngành	Công Nghệ Chế Tạo Máy
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Thái Nguyên

Định dạng
Số trang	93
Dung lượng	3,74 MB