Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến chất lượng bề mặt khi tiện khô và tiện ướt thép 40x đã nhiệt luyện

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo – Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức, Công ty cổ phần phụ tùng máy số 1, thị xã Sông Công, Thái Nguyên đã dành những điều kiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Bùi Ngọc Tuyên Trừ những phần tham khảo

đã được ghi rõ trong luận văn, những kết quả, số liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Dương Quang Hưng

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin được cảm ơn PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên, thầy hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tận tình cùng những đóng góp quý báu trong quá trình tôi làm thực nghiệm và viết luận văn

Tôi muốn được bày tỏ sự biết ơn của mình đến Ban Giám Hiệu, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn Gia công vật liệu và dụng cụ công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dành những điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo – Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức, Công ty cổ phần phụ tùng máy số 1, thị xã Sông Công, Thái Nguyên đã dành những điều kiện làm việc tốt nhất cho tôi về cơ sở vật chất, dụng cụ, máy móc, giúp tôi hoàn thành được nghiên cứu của mình

Cuối cùng, tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình và bạn bè đã ủng

hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này

Tác giả

Dương Quang Hưng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN -1-

LỜI CẢM ƠN -2-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 6 -

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU -8-

MỞ ĐẦU -9-

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN VÀ TIỆN CỨNG -13-

1.1 Tổng quan về công nghệ tiện -13-

1.2 Tìm hiểu về công nghệ tiện cứng -22-

1.2.1 Giới thiệu chung -22-

1.2.2 Máy và dụng cụ trong tiện cứng -23-

1.2.3 Các thông số chế độ cắt khi tiện cứng (V, S, t) -25-

1.2.4 Dụng cụ cắt CBN, cấu trúc của mảnh dao -25-

1.2.5 So sánh tiện cứng với tiện thường và mài -27-

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

-28-CHƯƠNG II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN CỨNG -30-

2.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt -30-

2.2 Bản chất của lớp bề mặt -30-

2.3 Tính chất lý hoá của lớp bề mặt -31-

2.3.1 Lớp biến dạng -32-

2.3.2 Lớp Beilbly -32-

2.3.3 Lớp tương tác hóa học -32-

2.3.4 Lớp hấp thụ hóa học -32-

2.3.5 Lớp hấp thụ vật lý -33-

2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt khi tiện cứng -33-

2.4.1 Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá -33-

2.4.2 Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ -34-

2.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng -40-

2.5.1 Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt -40-

2.5.2 Ảnh hưởng của tốc độ cắt -42-

2.5.3 Ảnh hưởng của lượng chạy dao -42-

2.5.4 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt -43-

2.5.5 Ảnh hưởng của vật liệu gia công -43-

2.5.6 Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ -44-

2.6 Dung dịch trơn nguội và ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội -44-

2.6.1 Dung dịch trơn nguội -44-

2.6.2 Vai trò chất bôi trơn làm nguội -45-

2.6.3.Sự làm nguội và bôi trơn của các chất bôi trơn làm nguội -47- 2.6.4 Một số hóa chất thường dùng trong dung dịch trơn nguội-49- 2.6.5 Phương pháp tưới nguội -50-

2.6.6 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội -51-

CHƯƠNG III: QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ CẮT, LƯỢNG CHẠY DAO KHI TIỆN KHÔ VÀ TIỆN ƯỚT -56-

3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm -56-

3.1.1 Chọn thông số vào -57-

3.1.1.1 Các yêu cầu khi chọn thông số vào -57-

3.1.1.2 Các cơ sở để chọn thông số vào -57-

3.1.1.3 Chọn thông số đầu vào .-57-

3.1.2 Chọn chỉ tiêu đánh giá

3.1.2.1 Các chỉ tiêu động lực học quá trình cắt

3.1.2.2 Chỉ tiêu độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công -60-

3.1.2.3 Chỉ tiêu kinh tế

3.1.3 Nhiễu khi tiện cứng -60-

3.2 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm -61-

3.2.1 Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm .-61-

3.2.1.1 Nguyên tắc không lấy toàn bộ các trạng thái đầu vào -61-

3.2.1.2 Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học

3.2.1.3 Nguyên tắc đối chứng với nhiễu

3.2.1.4 Nguyên tắc ngẫu nhiên hoá

3.2.1.5 Nguyên tắc tối ưu của quy hoạch thực

3.2.2.Chọn loại kế hoạch thực nghiệm và mô hình hồi quy thực nghiệm 3.2.2.1 Các đặc trưng thống kê quan trọng

3.2.2.2 Hàm hồi quy một biến -64-

3.2.2.3 Quy hoạch thí nghiệm trực giao toàn phần dạng 2k -65-

3.2.2.4 Quy hoạch thí nghiệm trực giao bậc hai (Quy hoạch Box – Wilson.).-68-

3.3 Thiết kế thí nghiệm -71-

3.3.1 Máy thí nghiệm -71-

3.3.2 Dụng cụ thí nghiệm -72-

3.3.3 Phôi thí nghiệm -73-

3.3.4 Dụng cụ đo kiểm -75-

3.4 Dung dịch trơn nguội -75-

3.5 Điều kiện biên -75-

3.6 Thực nghiệm khi tiện thép 40X qua tôi bằng mảnh dao PCBN -75-

3.6.1 Nội dung -75-

3.6.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm -76-

3.7 Xây dựng ma trận thí nghiệm

-78-CHƯƠNG IV: XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ -79-

4.1 Kết quả không có bôi trơn -80-

4.2 Kết quả có bôi trơn -86-

Kết luận chương -89-

Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo đề tài -90-

TÀI LIỆU THAM KHẢO -92-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ chuyển động tạo hình bằng phương pháp tiện 13

Hình 1.2 Máy tiện vạn năng 14

Hình 1.3 Máy tiện Rơvônve 15

Hình 1.4 Máy tiện CNC 15

Hình 1.5 Máy tiện đứng CNC 15

Hình 1.6.Kết cấu của dao tiện 16

Hình 1.7 Quá trình hình thành phoi 18

Hình 1.8 Các dạng phoi 19

Hình 1.9 Sự co rút phoi 20

Hình 1.10 Máy tiện CNC –Nhật 23

hình 1.11 Máy tiện CNC MaJac Nhật 23

Hình 1.12 Máy EmcoTurn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng 24

Hình 1.13 Mảnh hợp kim có CBN ở mũi 26

Hình 1.14 Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng 27

Hình 2.1 Chi tiết bề mặt vật rắn 31

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) 36

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 36

Hình 2.4 Quan hệ giữa bán kính mũi dao, chiều sâu cắt và ứng suất dư lớp bề mặt 41

Hình 2.5 Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề mặt 41

Hình 2.6 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép 42

Hình 2.7 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 43

Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 56

Hình 3.2 Sơ đồ khối kết quả đo 63

Hình 3.3 Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy 1 biến 65

Hình 3.4 Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy nhiều biến 70

Hình 3.5 Máy tiện GSKCN980TDb 71

Hình 3.6.Thân dao PDJNR2020K-15 có gắn mảnh PCBN 72

Hình 3.7 Các thông số cơ bản mảnh dao 73

Hình 3.8 Phôi thí nghiệm 73

Hình 3.9 Máy đo độ nhám 75

Hình 4.1 Đồ thị quan hệ độ nhám với các thông số cắt khi không có bôi trơn 84

Hình 4.2 Đồ thị quan hệ độ nhám với các thông số cắt khi có bôi trơn 89

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

MỞ 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 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

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 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 bằng dao thép gió hoặc HKC với điều kiện gia công dễ, gia công thép chưa nhiệt luyện,

Do vậy đề tài:” Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến

chất lượng bề mặt khi tiện khô và tiện ướt thép 40X đã nhiệt luyện” là cần

thiết và có tính ứng dụng trực tiếp

2 MỤC ĐÍCH VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ cắt ,lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt khi tiện bằng dao PCBN trong hai trường hợp có và không có dung dịch trơn nguội, so sánh đánh giá chế độ cắt có bôi trơn và không có bôi trơn

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:

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc nghiên cứu ảnh hưởng này 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 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 Chọn được chế độ gia công hợp lý

sẽ tiết kiệm được chi phí gia công và góp phần làm tăng năng xuất chất lượng

chất lượng sản phẩm

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương I: Tìm hiểu tổng quan về quá trình tiện và công nghệ tiện cứng

-Tổng quan về quá trình tiện

-Công nghệ tiện cứng

Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi tiện cứng

Chất lượng bề mặt khi gia công (độ song song, độ nhám…)

Ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt

Dung dịch trơn nguội và ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội

Chương III: Quy hoạch thực nghiệm của tốc độ cắt, lượng chạy dao khi tiện khô và tiện ướt

Thiết kế quy hoạch thực nghiệm: Máy, dụng cụ cắt, phôi thí nghiệm, chế

độ công nghệ

QHTN ảnh hưởng của S, V đến nhám bề mặt khi tiện ướt: 4 thí nghiệm +

3 thí nghiệm ở tâm

QHTN ảnh hưởng của S,V đến nhám bề mặt khi tiện khô: 4 thí nghiệm +

3 thí nghiệm ở tâm

Triển khai thực nghiệm

Chương IV: Xử lý số liệu thực nghiệm và đánh giá kết quả

và chuyển động chạy dao ngang)

Hình 1.1 Sơ đồ chuyển động tạo hình bằng phương pháp tiện

-Máy tiện là loại máy cắt kim loại, được dùng rộng rãi nhất để gia công các mặt tròn xoay như :mặt trụ, mặt định hình, mặt nón, mặt ren vít, gia công lỗ ren, mặt đầu cắt đứt Có thể khoan, khoét, doa, cắt ren bằng tarô bàn ren trên máy Nếu có đồ gá có thể gia công các mặt không tròn xoay, hình nhiều cạnh,

ellíp, cam …

+Về đặc điểm nguyên lý :

Máy tiện có chuyển động chính là chuyển động quay tròn quanh tâm của phôi tạo ra tốc độ cắt, chuyển động chạy dao là chuyển động tịnh tiến của dao gồm hai loại : chạy dao dọc (dọc theo hướng trục của chi tiết),

chạy dao ngang (chạy theo hướng kính của chi tiết)

+Về mặt kết cấu và công dụng, máy tiện đƣợc phân ra :

-Máy tiện vạn năng : có hai nhóm : Máy tiện trơn và máy tiện ren vít

Hình 1.2 Máy tiện vạn năng

-Máy tiện vạn năng đƣợc chế tạo thành nhiều cỡ : Cỡ nhẹ (≤500 kg); cỡ

trung (≤ 4 tấn); cỡ lớn (≤ 15 tấn); cỡ nặng (≤400 tấn); về truyền động kết cấu máy này có loại có trục vít me, có loại không có trục vít me

-Máy tiện chép hình : đƣợc trang bị các cơ cấu chép hình để gia công những chi tiết có hình dáng đặc biệt Loại này truyền động chỉ có trục trơn

-Máy tiện chuyên dùng : chỉ để gia công một vài loại chi tiết nhất định nhƣ: máy tiện ren chính xác, máy tiện hớt lƣng, máy tiện trục khuỷu, máy tiện bánh

xe lửa…

-Máy tiện cụt : để gia công các chi tiết nặng có D > L

-Máy tiện đứng : cơ trục chính thẳng đứng : Gia công các chi tiết nặng phức tạp -Máy tiện nhiều dao : là loại máy tiện có nhiều dao chuyển động độc lập, để cùng một lúc có thể gia công chi tiết với nhiều dao cắt

-Máy tiện revolver : dùng để gia công hàng loạt những chi tiết tròn xoay với nhiều nguyên công khác nhau Toàn bộ dao cắt cần thiết đƣợc lắp trên một bàn dao

đặc biệt gọi là đầu revolver, có trục quay đứng hoặc nằm ngang

Hình 1.3 Máy tiện Rơvônve

-Máy tiện tự động và nửa tự động

-Máy tiện CNC

Hình 1.4 Máy tiện CNC Hình 1.5 Máy tiện đứng CNC

*Dao tiện:là dụng cụ cắt sử dụng trong tiện,tùy theo yêu cầu sử dụng mà có

nhiều loại dao khác nhau,kết cấu dao tiện đƣợc chỉ ra trong hình vẽ:

Hình 1.6 : Kết cấu của dao tiện

*Chế độ cắt khi tiện:

Nguyên tắc chọn chế độ cắt:chế độ cắt chọn theo trình tự t, s, v.Chỉ tiến hành

chế độ cắt khi sau khi đã chọn đƣợc dao,máy và các đồ gá một cách thích hợp

-chọn chiều sâu cắt t (mm)

Chọn t nếu độ cứng vững của phôi lớn (L/D<4 ) và công suất máy đủ lớn thì nên

chọn t = h

ở đây: h là lƣợng dƣ gia công của nguyên công đó:

L -chiều dài phôi

D -đường kính phôi

S -bước tiến dao (mm/vòng)

Bước tiến dao S ảnh hưởng đến quá trình cắt,độ nhám bề mặt,độ bền của dao

Ta thường chọn S theo độ bóng bề mặt của chi tiết và theo các công thức kinh

nghiệm:

khi gia công thép H=( 0.21.S2)/r0.65

trong đó H là chiều cao lớp nhấp nhô bề mặt

là hệ số ảnh hưởng của kiểu tiện

T – tuổi bền của dao

K - hệ số chỉ ảnh hưởng của tính chất vật liệu gia công, góc dao, độ mài mòn

dao, kiểu dao, dung dịch trơn-nguội, tình trạng lớp mặt ngoài

-T-Thời gian máy (phút) là thời gian cần thiết để hoàn thành việc cắt gọt trên máy bao gồm thời gian cần thiết máy phải thực hiện chuyển động chính và phụ

=

ở đây L là chiều dài chi tiết gia công

h – lượng dư gia công S – bước tiến dao

n – số vòng quay phôi t – chiều sâu cắt

*Các chi tiết gia công trên máy tiện

Các chi tiết máy tròn xoay dạng đối xứng như trục,bánh răng ,puli thường được gia công trên máy tiện với các loại dao khác nhau như các loại dao tiện, mũi khoan mũi khoét, taro, mũi doa

Trên máy tiện có thể gia công được các chi tiết hình côn,mặt hình phẳng, mặt phẳng, mặt ren, vát cạnh, vẽ góc lượn

* Chuyển động cơ bản khi gia công và quá trình tạo phoi trong gia công cắt gọt

*Chuyển động cơ bản khi gia công tiện:

- Chuyển động cắt chính: chuyển động xoay tròn của mâm cặp

- Chuyển động chạy dao là chuyển động của bàn dao gồm chuyển động dọc và chuyển động ngang

* Quá trình tạo phoi trong gia công cắt gọt

Các chi tiết được chế tạo bằng phương pháp cắt gọt từ phôi là một khối vật liệu để thay đổi hình dáng, kích thước, chất lượng bề mặt và tính chất vật liệu gia công.Lớp vật liệu cần phải lấy đi trên phôi trong quá trình cắt gọt gọi là lương dư gia công, phần vật liệu bị hớt bỏ đi được gọi là phoi

Lượng dư gia công càng lớn thì thời gian cần thiết để cắt gọt càng nhiều,

do đó để chế tạo ra một chi tiết dùng được bằng phương pháp cắt gọt thì lượng

dư cũng như thời gian gia công phải đủ Lượng dư gia công thường không được cắt hết một lần mà phải sau vài lần cắt ( chạy dao ), người ta thường chia quá trình gia công cắt gọt thành hai giai đoạn chạy dao: Giai đoạn thứ nhất là gia công thô, tức là lấy đi phần cơ bản của lượng dư gia công, giai đoạn này người

ta ít chú ý đến sai số về hình dáng,kích thước, cũng như chất lượng bề mặt gia công; giai đoạn hai gồm các bước gia công bán tinh, gia công tinh hớt bỏ đi một lượng nhỏ lượng dư gia công còn lại để đạt được độ chính xác về hình dáng, kích thước và chất lượng bề mặt gia công theo yêu cầu kỹ thuật của bản vẽ chi tiết

* Quá trình hình thành phoi

Như đã nói ở trên thì quá trình gia công cắt gọt là quá trình lấy đi khỏi phôi một lượng vật liệu không nguyên khối được gọi là phoi để nhận được chi tiết có hình dáng, kích thước, chất lượng bề mặt theo yêu cầu kỹ thuật

Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng : Quá trìng cắt gọt là

sự trượt phá của các phần tử vật liệu dưới tác dụng của lực mà các thành phần dụng cụ cắt tác dụng vào

Dưới tác dụng của lực cắt P (hình 1.7), lớp kim loại ở mặt trước của dao

sẽ bị nén lại, sau đó lớp kim loại bị tách rời bắt đầu bị ép trồi lên dọc theo mặt trước của dao ( hiện tượng này xảy ra cho đến khi nào áp lực của dao chưa vượt quá lực liên kết giữa các phần tử vật liệu ) cho đến khi áp lực của dao lên vật liệu vượt quá lực liên kết giữa các phần tử vật liệu thì phoi bị nén sẽ trượt theo mặt phẳng, dao tiếp tục nén và các phần tử phoi tiếp theo tiếp tục trượt.Các phần

góc 2 = 60-65o

Như vậy, trong quá trình cắt gọt, đầu tiên trong các phần tử vật liệu được cắt xảy ra biến dạng đàn hồi sau đó là biến dạng dẻo, và kết thúc là các phần tử phoi trượt liên tục

* Các dạng phoi

Tùy theo cơ tính của vật liệu ( khả năng biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo ) mà trong quá trình cắt gọt tạo ra nhiều dạng phoi khác nhau Trong thực tế người ta chia làm ba dạng phoi: Phoi vụn, phoi xếp và phoi dây

Hình 1.7: Quá trình hình thành phoi

a Phoi vụn (hình 1.8.a)

Phoi vụn được hình thành khi gia công các vật liệu cứng và giòn ví dụ như gang, đồng thau, đá, gốm xứ, Ebônít, Nó gồm những mảnh vật liệu rời rạc có hình dáng khác nhau, các phần tử vật liệu này không liên kết với nhau hoặc liên kết với nhau rất yếu

b Phoi xếp (hình 1.8.b)

Phoi xếp được tạo thành khi gia công vật liệu có độ cứng vừa phải, có ít

độ dẻo với vận tốc cắt trung bình Phía bề mặt phoi trượt lên mặt trước của dao

là mặt phẳng, còn phía đối diện thì gồ ghề có dạng răng cưa Các phần tử vật liệu trong dạng phoi này liên kết với nhau tương đối bền vững

dụ nhƣ khi chiều sâu cắt nhỏ và tốc độ cắt cao thì khả năng tạo ra phoi dây cao hơn

* Sự co rút của phoi (Hình 1.9)

Do quá trình cắt gọt là quá trình biến dạng của phoi, nên phoi đƣợc tách

ra khỏi chi tiết do bị nén sẽ có chiều dài ngắn hơn chiều dài cắt và theo định luật biến dạng khối Poisson thì bề dày sẽ dày hơn Hiện tƣợng đó đƣợc gọi là sự co rút của phoi, hiện tƣợng này có thể nhận biết bằng cách quan sát hình dáng bên ngoài của phoi Hệ số co rút của phoi có thể đƣợc tính theo công thức sau:

dễ dàng

*Lực cắt khi tiện

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 đƣợc

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 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 Lực cắt

là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì lực cắt không phải là một hằng số Lực cắt được biến đổi theo quãng đường của dụng cụ Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chi tiết gia công Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến dạng phần tử khác

1.2 Tổng quan về công nghệ tiện cứng

1.2.1 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]:

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

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị

- Tăng độ chính xác gia công

- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn

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

- Gia công được các contour phức tạp

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

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

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

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

cắt không thể thực hiện được

1.2.2 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 …

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

này có thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá Cấp chính

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

(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

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

1.2.3 Các thông số chế độ cắt khi tiện cứng (V,S,t)

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 -

200 (m/ph), S = 0,02 - 0,04 (mm/vg), t = 0,02 - 0,3mm [3]

1.2.4 Dụng cụ cắt 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)

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

Hình 1.13 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…

Hình 1.14 Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng

1.2.5 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

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 Vật liệu điển hình được tiện cứng là các thép hợp kim qua tôi cứng

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

1.3 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 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]

CHƯƠNG II CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI

TIỆN CỨNG 2.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt

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

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

phản ứng của chúng đối với môi trường làm việc

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

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

bề mặt chi tiết máy

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

bề mặt chịu tải trọng lớn cần đặc biệt chú ý tới tính cơ lý của lớp bề mặt

Bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau Bề mặt kim loại

có thể được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc

và đặc tính khác nhau Để xác định đặc trưng của bề mặt ta cần biết mô hình và định luật kim loại nguyên chất – không có tương tác với các môi trường khác và

sự khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong Sau đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trường để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực

Nhiều tính chất khối của vật liệu có quan hệ đến bề mặt ở mức độ khác nhau Thường các tính chất lý, hóa của các lớp bề mặt là quan trọng, tuy nhiên

các đặc trưng cơ học như độ cứng và phân bố ứng suất trong lớp này cũng cần

được quan tâm [9]

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

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 [3]

bóng có thể giảm chiều dày của lớp này

lớp ôxít bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài ôxít, một số ôxít có tác dụng bảo

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

2.3.4 Lớp hấp thụ hóa học

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

bề mặt kim loại và á kim Lớp hấp thụ hoá học được hình thành trên cơ sở sử dụng chung các electrons, hoặc trao đổi các electrons giữa các lớp hấp thụ và bề

mặt vật rắn Trong lớp này tồn tại liên kết rất mạnh giữa bề mặt chất rắn và chất hấp thụ thông qua liên kết cộng hoá trị, vì thế để làm sạch lớp này cần có một

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

Pa) lớp này không tồn tại trên các bề mặt các chất rắn

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

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

Để đánh giá độ nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau đây:

*) Phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich) Phương pháp này đo được bề mặt có độ nhẵn bóng cao (độ nhám thấp) thường từ cấp 10 đến cấp 14

Phương pháp này sử dụng mũi dò để đo prôfin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn tới cấp

11 Tuy nhiên đối với các bề mặt lỗ thường phải in bằng chất dẻo bề mặt chi tiết rồi mới đo bản in trên các máy đo độ nhám bề mặt

*) 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 (%)

Chiều sâu lớp biến cứng (m)

Mài tròn thép chưa nhiệt luyện 140  160 30  60

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 trắng) trong tiện cứng của Kevin Chou và đồng nghiệp [13] 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 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

nhiều hơn sẽ tạo ra đƣợc lớp biến cứng có chiều dày lớn hơn khá nhiều so với dao bị mòn ít Tuy nhiên nếu vận tốc cắt quá lớn lại làm giảm chiều sâu của lớp biến cứng

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

các lƣợng chạy dao khác nhau (khi dao chƣa bị mòn) [13]

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

lƣợng mòn mặt sau khác nhau của dao tiện [13]

0,45mm/vg; r = 0,8mm

0,45mm/vg; r = 2,4mm 0,45mm/vg; r = 1,6mm

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

Bề mặt bị biến cứng có tác dụng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết khoảng 20%, tăng độ chống mòn lên khoảng 2 đến 3 lần Mức độ biến cứng và chiều sâu của nó có khả năng hạn chế gây ra các vết nứt tế vi làm phá hỏng chi tiết Tuy nhiên bề mặt quá cứng lại làm giảm độ bền mỏi của chi tiết [1]

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

- 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

- 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 [16] 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 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

- Bán kính mũi dao và mòn dao có ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất dư trong tiện cứng [14] Thực nghiệm cho thấy:

- 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