Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD

Tên đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD” 2.. Vì những lý do trên trong gia công lần cuối

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tên đề tài nghiên cứu:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD”

2 Giới thiệu

Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi (thường là thép hợp

kim) có độ cứng cao khoảng từ 40 – 60 HRC được sử dụng rộng rãi trong côngnghiệp 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 trên đường kínhnhỏ, các chi tiết có hình dạng phức tạp và không nhất thiết phải sử dụng dung dịchtrơn nguội Tiện cứng cho độ chính xác cao và nhám bề mặt tương đương với màinhưng tiện có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suát dư nén làm tăng tuổi thọ vềmỏi của chi tiết máy trong các tiếp xúc lăn khi sử dụng, cho năng suất cao hơn màivới đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều Tiện cứng thường dùng trong nguyên công tiệntinh với độ chính xác ngang mài nên các yêu cầu về độ chính xác, độ cứng vữngcủa hệ thống công nghệ rất khắt khe

Việc áp dụng tiện cứng thay cho mài đang trở nên khá phổ biến trên thế giớibởi những ưu điểm nổi bật của nó, nhất là hiện nay vấn đề môi trường đang được

sự quan tâm đặc biệt của toàn thế giới Ở nước ta, tiện cứng đã và đang được ápdụng và phát triển khá mạnh, các chi tiết như con lăn trong các dây truyền cán thép,chày cối dập thuốc, vòng ổ… cũng đã được gia công lần cuối bằng tiện cứng thaycho mài

Vì những lý do trên trong gia công lần cuối so với mài, tiện cứng ngày càng được các nhà sản xuất yêu thích hơn

Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa học chothấy việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông sốcắt, chế độ cắt đến quá trình tiện cứng, ảnh hưởng của độ cứng dao đến nhám bềmặt và lực cắt khi tiện Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bềmặt như thế nào khi tiện tinh thép 9XC ( Nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi giacông tiện cứng bằng dao hợp kim cứng phủ CVD , nhằm tìm ra chế độ cắt hợp lý

để chất lượng bề mặt đạt tối ưu sẽ tiếp tục đóng góp thêm các kiến thức vào việcnghiên cứu quá trình tiện cứng Thép 9XC là một loại vật liệu có nhiều ưu điểmđược dùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thỏa mãncác yêu cầu về khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuất Xác định chế độ cắt khi tiện tinh thép 9XC phụ thuộc vào độ cứng vững của hệthống công nghệ, công suất của máy, phạm vi làm việc của dụng cụ cắt và độ bóngyêu cầu của chi tiết gia công Để nghiên cứu và xác định được chế độ cắt hợp lý taphải thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm bao gồm hàng loạt các thí nghiệmđược lặp lại nhiều lần trong điều kiện không đổi để có khả năng ghi nhận kết quả.Điều kiện thí nghiệm được xác định bằng những yếu tố không phụ thuộc Trong đềtài nghiên cứu của luận văn tác giả đề cập đến các yếu tố nghiên cứu ảnh hưởngcủa vận tốc cắt, lượng chạy dao, ảnh hưởng tới đối tượng nghiên cứu là độ nhám

bề mặt sau khi gia công và mòn dụng cụ cắt

Xuất phát từ những lý do trên tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD”

3 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá ảnh hưởng của chế độ cắt (s,v,t) tới chất lượng bề mặt ( đánh giá

thông qua độ nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợpkim cứng phủ CVD Qua đó đưa ra được bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiệncứng thép 9XC để đạt chất lượng bề mặt theo yêu cầu

4 Dự định kết quả.

Đưa ra được bộ thông số chế độ cắt thích hợp khi tiện cứng thép 9XC để đạtchất lượng bề mặt theo yêu cầu, là một loại thép có nhiều ưu điểm được dùng rộngrãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm để xác định chất lượng bề mặt khi thay đổi chế độ cắttrong gia công tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD trong các

Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm chế độ cắt tối ưu nhằm đạt được chấtlượng bề mặt theo yêu cầu.

6 Các công cụ, thiết bị nghiên cứu

* Mẫu thí nghiệm: Phôi thép 9XC tôi thể tích độ cứng đạt 52-55HRC

* Máy tiện Quick Turn Smark 200- Mazak

* Máy đo độ nhám Mitutoyo – SJ 210

* Kính hiển vi điện tử SEM

* Dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng phủ CVD

* Dụng cụ do kích thước :

- Thước cặp 1/50 L150 Mitutoyo, độ phân giải 0,02mm

- Pan me 25-50 Mitutoyo, độ phân giải 0,01mm

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG

VÀ DỤNG CỤ CẮT PHỦ BAY HƠI 1.1 Tổng quan về tiện cứng

1.1.1 Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng

Theo [1] quá trình cắt kim loại là quá trình lấy đi một lớp phoi trên bề mặt giacông để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ bóng bề mặt theo yêu cầu Đểthực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động:

- Chuyển động cắt chính (chuyển động làm việc): khi tiện đó là chuyển độngquay tròn của phôi

- Chuyển động chạy dao: đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạo phoiliên tục trong suốt quá trình cắt Khi tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọc của daokhi tiện mặt trụ

Khi cắt, để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ratrong 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 kimloại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy

Hình 1.1 Sơ đồ hóa miền tao phoi

Nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số của côngcắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào quá trình tạophoi Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 1.1), dao bắt đầu nén vật liệu gia công theomặt trước Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đànhồi, 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 chuyểndọc theo mặt trước của dao

1.1.1.1 Các dạng phoi

a Phoi xếp:

b Phoi dây:

c Phoi vụn:

1.1.1.2 Hiện tượng lẹo dao

1.1.2 Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng

1.1.2.1 Các hình thái phoi khi cắt kim loại

1.1.2.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoi

1.1.3.1 Hiện tượng biến dạng phoi

1.1.3.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng phoi

a Ảnh hưởng của tốc độ cắt

b Ảnh hưởng của chiều dầy cắt

c Ảnh hưởng của thông số hình học:

d Ảnh hưởng của góc trước

e Ảnh hưởng của bán kính mũi dao r

f Ảnh hưởng của góc nghiêng chính 

g Ảnh hưởng của vật liệu gia công

h Ảnh hưởng của vật liệu làm dụng cụ cắt

1.2.5 Định hướng nghiên cứu

Qua phân tích ở trên ta thấy có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặtchi tiết khi tạo phoi: Vận tốc cắt, chiều dày cắt, thông số hình học, vật liệu gia công…

Ở đề tài này tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt

Để gia công chi tiết sau khi tôi người ta có thể sử dụng nhiều loại dụng cụcắt với lớp phủ khác nhau Ở đề tài này, tác giả sử dụng mảnh dao hợp kim cứngphủ TiAlN để gia công thép 9XC sau khi tôi

Chương II: MÒN DỤNG CỤ CẮT 2.1 Ma sát của dụng cụ phủ

Ma sát giữa vật liệu dụng cụ phủ và vật liệu chi tiết gia công được quan tâm rấtnhiều Ma sát trong cắt kim loại là ma sát trượt tuy nhiên đặc điểm của tương tác masát khác hẳn với ma sát thông thường trong kỹ thuật là lực ma sát phụ thuộc vào áplực pháp tuyến theo công thức Fm= f.N

Hệ số ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào ứng suất pháp tuyến tạichỗ tiếp xúc hay tỷ số giữa diện tích tiếp xúc thực và diện tích tiếp xúc danh nghĩaAr/A Kết quả nghiên cứu của Shaw, Ber và Bamin chỉ ra sụ phụ thuộc này trênhình vẽ với 3 vùng ma sát Vùng I tương ứng với tiếp xúc mà Ar<<A là vùng màđịnh luật ma sát trượt khô của Amonton nghiệm đúng nghĩa là f = t/s =const

Vùng III là vùng dưới tác dụng của ứng suất cắt tới hạn vật liệu vẫn không bị pháhuỷ (không thấy vết nứt tế vi trong lòng vật liệu) khi này Ar/A=1 và t độc lập với s Vùng II là vùng chuyển tiếp giữa vùng I và vùng III Trong vùng II hệ số masát f giảm khi tăng tải trọng pháp tuyến Vùng II là vùng tương tác ma sát giữaVLGC và VLDC trên các bề mặt của dụng cụ trong cắt kim loại.Theo Phan QuangThế [2] đã chỉ ra mô hình ba vùng tiếp xúc ma sát trên mặt trước khi tiện vật liệumềm bằng dao saphia và tiện thép các bon trung bình bằng dao thép gió phủ PVD-TiN Theo mô hình này thì nhiệt độ cao xuất hiện trên mặt trước thuộc vùng 3 làvùng phoi trượt trên mặt trước và mòn mặt trước bắt đầu phát triển từ vùng này.Đây là vùng vật liệu gia công dính nhiều nhất trên mặt trước của dụng cụ phủ PVDsau khi lớp một phần lớp phủ bị phá vỡ

Hình 2.1 Sơ đồ 3 vùng ma sát của Shaw,Ber và Maiman

2.3.3 Mòn của dụng cụ phủ bay hơi

2.3.4 Ảnh hưởng của mòn dụng cụ phủ đến chất lượng bề mặt gia công

2 4 Kết luận

Chất lượng bề mặt khi tiện cứng bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như trìnhtrạng máy, dao, khả năng công nghệ, cơ tính vật liệu phôi và chế độ cắt, Tuynhiên do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các máy NC và CNC, các mảnh daolắp ghép có độ bền, độ cứng, đồng thời khả năng chịu nhiệt đặc biệt cao đã làmtính công nghệ trong tiện cứng giảm phần nào tính phức tạp

Trong luận văn tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bềmặt

Chương III NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO HỢP

KIM CỨNG PHỦ CVD 3.1 Thí nghiệm

3.1.1 Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm:

3.1.4 Thiết bị đo khác

3.1.4.1 Máy đo độ nhám bề mặt

3.1.4.2 Kính hiển vi điện tử SEM

3.1.5 Tiến hành thí nghiệm

Thí nghiệm dược tiến hành trên máy tiện Quick Turn Smark 200- Mazak, mỗi thí

nghiệm được thực hiện bằng 1 mảnh dao TiAlN Sau đó đo độ nhám bằng máy đonhám SJ-201 Mỗi thí nghiệm đo độ nhám 3 lần tại 3 vị trí khác nhau sau đó lấykết quả trung bình và đưa vào bảng Lượng bong tróc trên mặt trước dụng cụ cắtđược xác định trên ảnh kính hiển vi điện tử SEM

- Với chiều sâu cắt t= 0,1 mm, chiều dài cắt L= 250 mm Vận tốc cắt, lượng chạy dao và thứ tự thí nghiệm theo thứ tự cho trong bảng 3.1

Bảng 3.1: Bảng quy hoạch và kết quả thực nghiệm xác định lượng mòn mặt trước của dao và nhám bề mặt của chi tiết sau khi gia công.

3.2 Phân tích kết quả thí nghiệm:

3.2.1 Phân tích nhám bề mặt phôi thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau.

Tiến hành xử lý số liệu ta có kết quả sau:

Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm về tiện cứng [1], [2]; [3];[6]… đã cho thấy quan hệ giữa các chỉ tiêu đánh giá F (Ra) với chế độ cắt (V, S,T) códạng hàm mũ:

F Cv s t  r p q (*)

Các số mũ r, p, q và hệ số C của phương trình (*) được xác định bằng thựcnghiệm

Lấy logarit hai vế và đặt: f = lnRa; a0 = lnC; x1 = lnV; x2 = lnS ; r = a1 p =a2

ta có: lnRa = lnC + a1lnV + a2lnS

f = ao + a1x1 + a2x2 (**)

Trong phương trình (**) f, x1, x2 đã biết Cần xác định các hệ số: ao; a1; a2

Bảng kết quả quy đổi logait các thông số đầu vào và đầu ra của thí nghiệm:

Hình 3.1: Kết quả xử lý giữ liệu Ra.

Từ kết quả hồi quy ta nhận được kết quả sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩanhư sau:

053 , 0 098 , 0 6636 ,

Ra

Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc, lượng chạy dao và nhám bề mặt:

Hình 3.2: Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của V và S đến nhám bề mặt.

100 120

140 160

180 0.1 0.15

0.2 0.251.12

Hình 3.3: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lượng chạy dao và nhám

bề mặt (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ)

Từ đồ thị có thể thấy khi gia công thép 9XC ở các chế độ khác nhau bằngmảnh dao phủ TiAlN, nhám bề mặt giảm khi tăng lượng chạy dao từ 0,125 đến0,19 mm/vg và tăng lên khi lượng chạy dao tăng từ 0,19 đến 0,25 mm/vg Khivận tốc cắt tăng nhám bề mặt tăng

3.2.2 Phân tích lượng mòn mặt mặt trước mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau.

Tiến hành xử lý số liệu ta có kết quả sau:

Tương tự như khi nhiên cứu nhám bề mặt trong quá trình tiện cứng, ta nghiên cứulượng mòn mặt trước dưới ảnh hưởng của hai thông số chế độ cắt: V(m/ph); S(mm/vòng) Chỉ tiêu đánh giá lượng mòn mặt trước là: lượng mòn U

S (mm/vg)

v (m/ph)

Hình 3.4: Kết quả xử lý giữ liệu lượng mòn.

Từ kết quả hồi quy ta nhận được kết quả sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩanhư sau:

53 , 0 26 , 0 03

Hình 3.5: Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của V và S đến lượng mòn U.

100 120

140 160

180

0.1 0.15

0.2 0.2510

12 14 16 18

3.2.3 Phân tích lượng mòn mặt mặt trước mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứng thép 9XC ở các độ chế độ cắt khác nhau qua hình chụp Topography bề mặt.

Quan sát hình ảnh phần cắt của dao trên kính hiển vi ta thấy tại đây có hai

3.10) thấy rằng: Vùng đen trên phần cắt của dao có thành phần hóa học các chấtnhư sau: W: 45,5%; Co: 34,7%; Al:7,9%; Ba: 4,6%; Ti: 4,0% (Hình 3.9) Phân tíchEDX cho thấy vùng đen là vùng bị mòn không còn xuất hiện thành phần lớp phủTiAlN trên vùng này nữa, các chất còn lại chính là lớp nền EDX phân tích thànhphần hóa học vùng trắng trên phần cắt của dao (Hình 3.10) có: Ti = 35,9%; Fe =28,8%; 0 = 9,8%; N= 9,3 %, Al= 7,3%; Ca = 3,2%; Ba=2,5%; Si=0,9%; Cr =0,9%; C = 0,2% Kết quả phân tích cho thấy vùng này có thành phần Fe, c, Cr, Si

đó chính là thành phần của vật liệu gia công do sự trượt và dính của các lớp dướicủa phoi vào bề mặt vùng cắt

Hình 3.9 Ảnh phân tích EDX vùng đen trên phần cắt của dao trên kính hiển vi

điện tử

Hình 3.10 Ảnh phân tích EDX vùng trắng trên phần cắt của dao trên kính

hiển vi điện tử

Ở thí nghiệm thứ nhất, trên mặt trước của dao xuất hiện sự bám dính của vậtliệu gia công lên bề mặt với bề rộng xấp xỉ 120 μm (hình 3.7 a) Lượng mòn khám (hình 3.7 a) Lượng mòn kháđồng đều

Hình 3.7 a: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 1.

Ở thí nghiệm thứ hai, hầu như không còn xuất hiện vùng trắng, vùng đenchiếm gần như toàn bộ rộng khoảng 269 μm (hình 3.7 a) Lượng mòn khám (hình 3.7 b) Trên vùng mòn mặttrước này không nhìn thấy hình ảnh của lớp phủ như vùng chưa bị mòn, lớp bề mặt

có cấu trúc sóng Vết mòn này khá nguy hiểm có thể dẫn đến phá hủy lưỡi cắt Đây

là hình ảnh mòn vật liệu dòn theo cơ chế biến dạng dẻo bề mặt do hạt cứng càytrên bề mặt dưới tác dụng của ứng suất pháp rất lớn ở vùng lưỡi cắt gây ra

Hình 3.7 b: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 2.

Ở thí nghiệm thứ 3 và 4 (hình 3.7 c, d), lượng mòn còn nghiệm trọng vàrộng hơn ở lần thí nghiệm thứ 2 Đặc biệt ở thí nghiệm thứ 5 (hình 3.10 e), lớp phủgần như biến mất hoàn toàn và chiều rộng mòn khá lớn (khoảng 386 μm (hình 3.7 a) Lượng mòn khám)

c) d)

e)

Hình 3.7 c,d,e: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 3,4,5.

Còn trong các thí nghiệm thứ 6, 7, 8 và 9 (hình 3.7 f, g, h và i), vùng trắng đãxuất hiện trở lại Sự mòn dụng cụ đã đồng đều hơn trên bề rộng của lưỡi cắt Đặc biệttrong thí nghiệm thứ 6 (hình 3.7 f), kết quả cho thấy mòn là ít nhất, chiều dài cungmòn trên lưỡi cắt chính và bề rộng cung mòn gần như là không thay đổi

Hình 3.8: Kết quả chất lượng bề mặt trước qua các thí nghiệm.

Nhám bề mặt ảnh hưởng lớn đến chất lượng làm việc của chi tiết máy Đối với những chi tiết trong mối ghép động (ổ trượt, sống dẫn, con trượt ), bề mặt chi tiết làm việc trượt tương đối với nhau, nên khi nhám càng lớn càng khó đảm bảo hình thành màng dầu bôi trơn bề mặt trượt Dưới tác dụng của tải trọng các đỉnh nhám tiếp xúc với nhau gây ra hiện tượng ma sát nửa ướt, thậm chí cả ma sát khô, dẫn đến làm giảm hiệu xuất làm việc, tăng nhiệt độ làm việc của mối ghép Mặt khác tại các đỉnh tiếp xúc, lực tập trung lớn, ứng xuất lớn vượt quá ứng xuất cho phép gây biến dạng chảy phá hỏng bề mặt tiếp xúc, bề mặt làm việc nhanh mòn

Do vậy, nhám bề mặt ảnh hưởng lớn trong quá trình làm việc, gây hư hỏng và phá hủy cơ cấu máy Ngược lại, nhám càng nhỏ thì bề mặt càng nhẵn, khả năng chốnglại sự ăn mòn càng tốt

- Quy luật ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi tiệncứng thép 9XC qua tôi trong các thí nghiệm là giống nhau Các thông số S và Vđều ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công nhưng ở các mức độ khác nhau: theobiểu đồ thể hiện mức độ ảnh hưởng của S và V đến nhám bề mặt (hình 3.2) lượngchạy dao có ảnh hưởng mạnh hơn nhiều so với vận tốc cắt đến nhám bề mặt sau tiệncứng

Quan sát hình 3.8 ta thấy: Ở thí nghiệm thứ 4 và thứ 6 (Hình 3.8 d, f) cho chấtlượng bề mặt sau gia công tốt nhất

3.3 Kết luận

Từ các kết quả thí nghiêm có thể thấy mòn mặt trước của dụng cụ có thểchia thành ba vùng rõ rệt theo phương thoát phoi thông qua mức độ dính của vật