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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTAp: Chiều dày phoi Kbd: Mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi Mms: Mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của daoKf: Mức độ biến dạ

TRẦN VĂN TÍCH

“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”

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Thái Nguyên - 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướngdẫn của PGS.TS Phan Quang Thế và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê Tôikhông sao chép công trình của các cá nhân khác dưới bất cứ hình thức nào

Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Người cam đoan

Trần Văn Tích

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Hiệu trưởngtrường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên - Thầy hướng dẫn khoa học củatôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn của thầy trong việc tiếp cận và khai tháccác tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo trong quá trình tôi viết luận văn.Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy (cô) giáo – Khoa Cơ khí, Trung tâmthí nghiệm – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên , về sự giúp đỡ tậntình của các thầy, cô trong quá trình tôi làm thí nghiệm và viết luận văn

Tôi cũng muốn bày tỏ lời cảm ơn tới Ban giám hiệu, Lãnh đạo khoa và cácgiáo viên trong khoa cơ khí - Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ đã dành chotôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình

Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy côgiáo, các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luậnvăn này

Tác giả

Trần Văn Tích

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .iLỜI CẢM ƠN iiiDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANHMỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii DANHMỤC BẢNG BIỂU .ix PHẦN

1.2.1 Tổng quan về phủ bayhơi 16

2.1 Ma sát của dụng cụ phủ 26

42

3.2.1 Phân tích nhám bề mặt phôi thép 9XC ở các độ chế độ cắt khácnhau 43

3.2.2 Phân tích lượng mòn mặt mặt trước mảnh dao phủ TiAlN khi tiện cứngthép

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ap: Chiều dày phoi

Kbd: Mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Mms: Mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của daoKf: Mức độ biến dạng của phoi

θ : Góc trượt

γ: Góc trước của dao

PX: Lực chiều trục khi tiện

PY: Lực hướng kính khi tiện

PZ: Lực tiếp tuyến khi tiện

S: Lượng chạy dao (mm/vòng)

ΔFc, ΔFt: Áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên vùng mòn mặt sau

μ : Hệ số ma sát trên vùng ma sát thông thường của mặt

trước r : Bán kính mũi dao

hmin: Chiều dày phoi nhỏ nhất

Ra, Rz: Độ nhám bề mặt khi tiện

PVD: Phủ bay hơi vật lý

CVD: Phủ bay hơi hóa học

DDTN: Dung dịch tưới nguội

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ hóa miền tao phoi 4Hình 1.2.: Các dạng phoi 6Hình 1.3: Hiện tượng lẹo dao 6

Hình 1.4 Sơ đồ hình thành bề mặt gia công và phoi khi cắt có lẹo dao

7Hình 1.5 Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định: Trượt tập trung trên mặt phẳng(a), vùng trượt tạo thành mảng (b), vùng trượt mở rộng bên dưới bề mặt gia công (c)

9

Hình 1.6 Các dạng phoi phân đoạn: phoi lượn sóng (a) và phoi răng cưa

(b) 9Hình 1.7 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trượt cục bộ

11trong cắt kim loại

11

Hình 1.8: Biến dạng phoi 12

Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi

13Hình 1.10: Quan hệ giữa chiều dày cắt và biến dạng của phoi

14Hình1.11: Quan hệ giữa góc trước và biến dạng của phoi

14Hình1.12 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi

15Hình 1.13: Ảnh hưởng của đến biến dạng phoi 15Hình 1.14 Khả năng chịu tải trọng của lớp phủ cứng trên nền mềm hơn

22Hình 2.1 Sơ đồ 3 vùng ma sát của Shaw,Ber và Maiman

26Hình 2.2 Mòn mặt sau 29

Hình 2.3 Mòn mặttrước 30

Hình 2.5 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt liên

tục 31Hình 2.6 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt gián

đoạn 32Hình 2.7 Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ thép gió phủ

TiN 35Hình 3.1: Kết quả xử lý giữ liệu Ra .45

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

45Hình 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)

46Hình 3.4: Kết quả xử lý giữ liệu lượng mòn 47

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

48

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

Hình 3.6: Biểu đồ bề mặt chỉ tiêu quan hệ giữa vận tốc, lượng chạy dao và lượng

mòn (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan

hệ) 48Hình 3.9 Ảnh phân tích EDX vùng đen trên phần cắt của dao trên kính hiển vi điện

tử 49Hình 3.10 Ảnh phân tích EDX vùng trắng trên phần cắt của dao trên kính hiển vi

điện tử 50Hình 3.11 a: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 1

50Hình 3.11 b: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 2

51Hình 3.11 c,d,e: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 3,4,5

51Hình 3.11 f,g,h và i: Kết quả chụp lượng mòn mặt trước qua các thí nghiệm thứ 6,7,8

và 9 .52

Hình 3.12: Kết quả chất lượng bề mặt trước qua các thí

nghiệm 53

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

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 thép9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD”

2 Giới thiệu

Trong ngành công nghiệp gia công cơ khí, chất lượng bề mặt là một chỉ tiêuđặc biệt quan trọng trong đánh giá, nghiệm thu sản phẩm.Vì nó ảnh hưởng trựctiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mỏi cũng như tuổi thọ của chi tiết máy

Để đạt được chất lượng bề mặt theo yêu cầu, sau khi gia công cứng thường cócông đoạn mài, đánh bóng Việc làm này tốn khá nhiều thời gian và công sức.Nâng cao chất lượng bề mặt sau khi gia công cứng có thể dẫn đến giảm thờigian, thậm chí loại bỏ được công đoạn này

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 công nghiệp ô

tô, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv… Tiện cứng được sử dụngthay mài khi gia công chính xác các chi tiết máy có tỉ số trên đường kính nhỏ, cácchi 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 thếgiới bởi những ưu điểm nổi bật của nó, nhất là hiện nay vấn đề môi trường đangđược sự quan tâm đặc biệt của toàn thế giới Ở nước ta, tiện cứng đã và đang được

áp dụng và phát triển khá mạnh, các chi tiết như con lăn trong các dây truyền cánthép, chày cối dập thuốc, vòng ổ… cũng đã được gia công lần cuối bằng tiện cứngthay cho 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

bề mặt 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 đểchất 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 thínghiệm được lặp lại nhiều lần trong điều kiện không đổi để có khả năng ghi nhậnkết quả Điều kiện thí nghiệm được xác định bằng những yếu tố không phụ thuộc.Trong đề tài nghiên cứu của luận văn tác giả đề cập đến các yếu tố nghiên cứu ảnhhưởng của vận tốc cắt, lượng chạy dao, ảnh hưởng tới đối tượng nghiên cứu là độnhám 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 giáthông 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 dùngrộng rãi 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 cáckhoảng thời gian khác nhau

Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm chế độ cắt tối ưu nhằm đạt được chất lượng

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

, 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

cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt

vào

của công

công theo mặt trước Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi,

biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo và một lớp phoi

có chiều dày Ap thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyểndọc theo mặt trước của dao

Các dạng phoi

Tuỳ theo vật liệu của chi tiết gia công, thông số hình học của dụng cụ cắt, chế

độ cắt phoi cắt tạo ra có nhiều hình dạng khác nhau (hình 1.2) Dựa vào các dạngphoi có thể đánh giá được chất lượng bề mặt chi tiết gia công

Có 3 dạng phoi chủ yếu:

* Phoi xếp: Có dạng từng đốt xếp lại, mặt phoi đối diện với mặt trước của

dụng cụ cắt thì rất bóng, mặt kia có dạng răng cưa (hình 1.2 a,b) Phoi xếp xuất hiệnkhi gia công vật liệu dẻo (thép, đồng thau ) ở tốc độ cắt thấp, chiều dầy cắtlớn, góc cắt lớn (góc trước nhỏ) Khi tạo thành phoi xếp kim loại bị biến dạng rấtlớn

* Phoi dây: Có dạng kéo dài liên tục mặt phoi đối diện với mặt trước của

dụng cụ cắt nhẵn bóng, mặt những phần tử riêng biệt có hình dáng khác nhau,không liên kết hoặc liên kết yếu với nhau (hình 1.2e) Phoi vụn có được khi gia côngvật liệu giòn (gang, đồng thau cứng ), bề mặt chi tiết gia công có cấu tạo gần

giống như bề mặt kim loại bị phá huỷ giòn, chất lượng bề mặt rất thấp.kia hơi gợn

(hình 1.2c,d) Ở phoi dây khó quan sát mặt trượt hơn phoi xếp, điều đó chứng tỏbiến dạng dẻo khi tạo thành phoi dây ít hơn khi tạo thành phoi xếp do đó cho chấtlượng bề mặt chi tiết gia công cao hơn Phoi dây được tạo thành khi gia công vậtliệu dẻo ở tốc độ cắt cao, chiều dầy cắt nhỏ

* Phoi vụn: Phoi gồm những phần tử riêng biệt có hình dáng khác nhau,

không liên kết hoặc liên kết yếu với nhau (hình 1.2 e) Phoi vụn có được khi giacông vật liệu giòn (gang, đồng thau cứng ), bề mặt chi tiết gia công có cấu tạo gầngiống như bề mặt kim loại bị phá huỷ giòn, chất lượng bề mặt rất thấp

Hình 1.2.: Các dạng phoi

Hiện tượng lẹo dao

Hiện tượng: Trong quá trình cắt kim loại, ở điều kiên cắt gọt nào đó, đặc biệt

là trong quá trình cắt vật liệu dẻo tạo ra phoi dây Trên mặt trước của dao kề ngaylưỡi cắt chính xuất hiện những lớp vật liệu có cấu trúc và cơ lý tính khác hẳn với vậtliệu của chi tiết gia công và vật liệu làm dao, gắn chặt vào lưỡi cắt Hiện tượng nàygọi là hiện tượng lẹo dao, khối kim loại đó gọi là khối lẹo hay lẹo dao Lẹo dao cóhình dạng như hình 1.3

Hình 1.3: Hiện tượng lẹo dao

Nghiên cứu của Williams và Rollason chứng tỏ lẹo dao chỉ xuất hiện khi cắt vật liệu có hai pha trở lên mà không xuất hiện khi cắt kim loại nguyên chất hay hợp kim một pha Sự hình thành của lẹo dao chứng tỏ có liên quan mật thiết đến cấu trúc tế vi của vật liệu.

Hình 1.4 a, Sơ đồ hình thành bề mặt gia công và phoi khi cắt có lẹo dao

b, Sơ đồ lý tưởng “Flow zone” trên mặt trước của dụng cụ

Theo Trent [22] khi cắt ở chế độ cắt cao “Flow zone” được hình thành trênmặt trước (Hình 1 4b) Lớp cuối cùng của phoi dừng hẳn trên hầu hết diện tích tiếpxúc của mặt trước còn các lớp tiếp theo biến dạng dẻo tạo thành vùng biến dạngthứ hai

1.1.2 Đặc điểm của quá trình tạo phoi khi tiện cứng

Trong tiện cứng, quá trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rất phức tạp,chủ yếu do độ cứng của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháp tốt nhất vẫn là

sử dụng mảnh dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt cao Tiêu biểu cho nhóm này làcác mảnh CBN, PCBN, dao hợp kim cứng phủ CVD, PVD…

Theo Poulachon [15] và đồng nghiệp chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạo phoikhi gia công thép tôi

- Cơ chế thứ nhất cho rằng Adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫn đến

sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi

bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dẫn đến lưỡi cắt Poulachon[15] và

đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực dao thép 100Cr6 trong dải độ cứng

từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại 3 kiểu cơ chế cắt

Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắt giảmkhi tăng độ cứng trong dải này Điều này được giải thích là khi độ cứng của vật liệugia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi dẫn đến tăng góc tạo phoi

và giảm chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước Cả hai yếu tố đều có tác dụnggiảm lực cắt

Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50HRC, phoi sẽ chuyển từphoi dây sang phoi dạng răng cưa và lực cắt tăng lên Khi tăng độ cứng, góc tạophoi tăng và chiều dày của phoi giảm Khi độ cứng tăng, tồn tại hai yếu tố tráingược ảnh hưởng đến cơ chế tạo phoi, đó là tăng độ bền của vật liệu gia công

do tăng độ cứng và giảm độ bền của vật liệu gia công do tăng nhiệt độtrong vùng tạo phoi

Khi độ cứng tiếp tục tăng, vật liệu gia công trở nên giòn hơn và yêu cầu nănglượng cắt nhỏ hơn Khi gia công vật liệu giòn, biến dạng nứt trở nên nhỏ hơn và khi

nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt trở nên thịnh hành và hiện tượng trượtcục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trượt Khi hiện tượng này xảy ra, nhiệt độtrong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầu giảm Một điều cần lưu ý là phoi dạngrăng cưa xuất hiện khi khi gia công phôi có độ cứng thấp hơn nhưng với vận tốc cắtcao hơn Điều này chứng tỏ cơ chế tạo phoi được điều khiển bởi sự cân bằng giữavần tốc cắt và độ cứng của vật liệu gia công và mối quan hệ giữa hai yếu tố này vớinhiệt độ trong vùng cắt

1.1.2.1 Các hình thái phoi khi cắt kim loại

Phoi hình thành trong quá trình cắt kim loại rất đa dạng song có thể chiathành hai dạng cơ bản [10]:

+ Dạng phoi dây ổn định (phoi liền): với ba loại tùy theo cơ chế hình thànhbao gồm: vùng trượt tập trung gần như một mặt phẳng, vùng trượt có dạng mảng

và vùng trượt mở rộng có biến dạng dẻo bên dưới bề mặt do dao mòn (Hình 1.4)[10]

Hình 1.5 Cơ chế hình thành dạng phoi ổn định: Trượt tập trung trên mặt phẳng (a), vùng trượt tạo thành mảng (b), vùng trượt mở rộng bên dưới bề mặt gia

Hình 1.6 Các dạng phoi phân đoạn: phoi lượn sóng (a) và phoi răng cưa (b)

1.1.2.2 Cơ chế hình thành phoi khi tiện cứng

Sự khác biệt cơ bản của quá trình tạo phoi khi gia công thép cứng và thépthông thường là sự hình thành phoi răng cưa, lần đầu tiên được Shaw phát hiện vàonăm 1954 [10] Các lý thuyết khác nhau để giải thích về cơ chế hình thành phoirăng cưa có thể chia thành hai dạng: Dạng thứ nhất dựa trên sự trượt đoạn nhiệtban đầu, một trạng thái mất ổn định nhiệt dẻo thường thấy ở các vật liệu hạn chế

về khả năng biến cứng khi bị biến dạng ở tốc độ cao hoặc biến dạng dẻo lớn [10].Dạng thứ hai cho rằng do sự mất ổn định theo chu kỳ dựa trên sự xuất hiện và lantruyền của các vết nứt ở bề mặt tự do của phoi [14]

Theo quan điểm thứ nhất, sự thay đổi của tốc độ cắt khi gia công các loại vậtliệu khó gia công gây ra sự không ổn định của quá trình đã dẫn đến phản ứng cơnhiệt của vật liệu phôi dưới điều kiện cắt gọt Kết quả là sự trượt cục bộ và dạngphoi tuần hoàn được hình thành Trượt cục bộ làm lực cắt thay đổi tuần hoàn vàgây ra dao động hoặc va đập trong quá trình cắt, đặc biệt khi độ cứng vững của hệthống thấp và nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ lớn Phoi hìnhthành do trượt cục bộ là dạng phoi điển hình khi gia công các vật liệu có hệ thốngtrượt hạn chế (cấu trúc tinh thể sáu cạnh), khả năng dẫn nhiệt kém, độ cứng caonhư các loại thép hợp kim cứng, các loại siêu hợp kim của titan và niken Trái lại,phoi ổn định là dạng phoi thích hợp khi gia công các loại vật liệu có hệ thốngtrượt mạnh (cấu trúc tinh thể bốn cạnh), tính dẫn nhiệt tốt, độ cứng thấp như cácloại thép các bon và thép hợp kim thông thường [10]

Cơ chế hình thành phoi do trượt cục bộ gồm một chuỗi các quá trình với haigiai đoạn cơ bản: Giai đoạn thứ nhất là sự trượt không ổn định và biến dạng cục bộtrong một dải hẹp ở vùng trượt thứ nhất phía trước dụng cụ Giai đoạn thứ hai làquá trình phá hủy theo đường nghiêng hình chêm của vật liệu phôi khi dụng cụtiến về phía trước với biến dạng không đáng kể để hình thành một phân đoạn phoi[10]

Quá trình hình thành phoi do trượt cục bộ khác hẳn với quá trình hìnhthành phoi liền ổn định (Hình 1.6) Trong trường hợp hình thành phoi liền ổn

trượt diễn ra

dọc theo mặt phẳng trượt chính a, do bị biến cứng nên ứng suất yêu cầu cho biếndạng tiếp theo trở nên lớn hơn và mặt phẳng yếu nhất sẽ chuyển sang mặtphẳng tiếp theo Vì vậy, trượt sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp theo dẫn đến một sựphân bố biến dạng đồng đều trong phoi ở cấp độ tổng thể Trong trường hợp hìnhthành phoi do trượt cục bộ, sự mềm hoá vì nhiệt chiếm ưu thế hơn sựbiến cứng.

Hình 1.7 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trượt cục bộ

trong cắt kim loại.

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

Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thay đổi so vớikích thước của lớp cắt sinh ra nó (hình 1.7)

Gọi l: Chiều dài lớp cắt

lf : Chiều dài phoi

a: Chiều dầy lớp cắt

af : Chiều dầy phoi

bf : Chiều rộng phoi

Hình 1.8: Biến dạng phoi

Thông thường : lf < l ; af > a ; bf b Hiện tượng thay đổi kích thước này gọi là

hiện tượng biến dạng phoi (còn gọi là hiện tượng co dãn phoi).

Để đánh giá mức độ biến dạng phoi dùng hệ số co rút phoi

- Hệ số biến dạng phoi theo chiều dọc:

Gọi K là hệ số co rút phoi, thông thường K 1

1.1.3.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng phoi

K đặc trưng cho sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt K càng lớn biến dạng càng lớn Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó

công tiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao.

Do đó các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi tạo phoicũng chính là những yếu tố ảnh hưởng đến hệ số biến dạng

* Ảnh hưởng của tốc độ cắt

Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa hệ số biến dạng K và tốc độ cắt Vđược biểu diễn như hình 1.8

- Khi Vc tăng từ V1 V2 K giảm, chất lượng bề mặt tăng

- Trong vùng tốc độ cắt này khi Vc tăng tăng lực ma sát tăng, biến dạngcủa phoi tăng Mặt khác khi đó lẹo dao xuất hiện và tăng dần làm tăng góc trước,giảm góc cắt quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễ dàng hơn biến dạngcủa phoi giảm và đạt giá trị cực tiểu tại B ứng với Vc = V2 (tại đây chiều cao lẹo daolớn nhất) Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn

Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ cắt và biến dạng của phoi

- Khi Vc tăng từ V2 V3 K tăng, chất lượng bề mặt giảm

Trong vùng tốc độ cắt này, khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫn đếngóc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng Khi Vc tăng, hệ số ma sátgiảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm Kết hợp hai ảnh hưởng này, ảnhhưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng, biến dạng của phoi tăng và đạt giá trịcực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn)

- Khi Vc > V3 : lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ ở vùng cắt rất cao làmcho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sát giữa phoi và mặttrước giảm, K giảm, chất lượng bề mặt tăng

- Khi Vc > 200 300 m/f hệ số ma sát thay đổi rất ít, dẫn đến biến dạng củaphoi hầu như không thay đổi.

- Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao,phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt

* Ảnh hưởng của chiều dầy cắt

Hình 1.9 là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dầy cắt a và hệ số biếndạng K Ta thấy khi a tăng thì K giảm, chất lượng bề mặt tăng

Hình 1.10: Quan hệ giữa chiều dày cắt và biến dạng của phoi

* Ảnh hưởng của thông số hình học:

- Ảnh hưởng của góc trước.

Góc trước tăng, K giảm (Chất lương bề mặt tăng) vì khi tăng giảm, mũidao dễ ăn sâu vào vật liệu gia công làm biến dạng của lớp cắt giảm, mặt khác phoi

dễ trượt trên mặt trước và thoát ra ngoài, do đó khi tăng biến dạng của phoigiảm (hình 1.10)

Hình1.11: Quan hệ giữa góc trước và biến dạng của phoi

- Ảnh hưởng của bán kính mũi dao r

Bán kính mũi dao r tăng, góc nghiêng chính giảm, từ công thức a = S sin

ta thấy chiều dầy trung bình của lớp cắt giảm Mặt khác r tăng, chiều dài của đoạnlưỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sựgiao nhau của chúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như thẳng góc với lưỡicắt) làm cho biến dạng của phoi tăng, chất lượng bề mặt giảm (hình 3.15)

Hình1.12 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi

- Ảnh hưởng của góc nghiêng chính

+ Khi r = 0, a = S sin do đó khi tăng a tăng , biến dạng của phoi giảm,chất lương bề tăng

+ Một giá trị nào đó (50 600) tiếp tục tăng thì biến dạng của phoi tăng vìkhi này chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham gia cắt tăng, phoi bị biến dạng phụthêm do sự giao nhau của lưỡi cắt cong (hình 1.11).Khi r 0, tăng, sự thay đổicủa K phức tạp hơn Lúc đầu khi tăng, a tăng, biến dạng của phoi giảm càngtăng thì chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong tham gia cắt càng tăng

Hình 1.13: Ảnh hưởng của đến biến dạng phoi

- Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Trong cùng một điều kiện cắt gọt, vật liệu càng dẻo biến dạng của phoi càngtăng (Chất lượng bề mặt giảm), vì vật liệu càng dẻo thì lực liên kết giữa các nguyên

tử trong kim loại càng yếu, khiến cho sự trượt trong mạng tinh thể càng dễ xảy ra,tức là biến dạng càng dễ xảy ra Do đó khi cắt vật liệu dẻo, phoi bị biến dạng nhiềuhơn khi cắt vật liệu giòn, vật liệu càng dẻo biến dạng càng nhiều Có thể thấy rằng

độ cứng vật liệu gia công ảnh hưởng không nhỏ đến hệ số biến dạng Thực nghiệmcho thấy khi gia công thép:

b = 300 400 N/ mm2: K = 4 5; b = 600 700N/mm2 : K = 2 3

- Ảnh hưởng của vật liệu làm dụng cụ cắt

Mỗi một loại vật liệu dụng cụ có hệ số ma sát với vật liệu của chi tiết gia côngkhác nhau Trong cùng một điều kiện cắt gọt, vật liệu làm dao khác nhau, lực masát giữa phoi và mặt trước khác nhau làm biến dạng của phoi cũng khác nhau

Thực nghiệm cho thấy :

+ HKC nhóm 1 các bit có hệ số ma sát với thép các bon lớn hơn HKC nhóm 2các bít nên khi gia công thép nên dùng HKC nhóm 2 các bít

+ HKC có hệ số ma sát với thép nhỏ hơn thép gió với thép, vì vậy khi sử dụngHKC để gia công thép biến dạng của phoi nhỏ hơn khi sử dụng thép gió

1.2 Dụng cụ cắt phủ bay hơi

1.2.1 Tổng quan về phủ bay hơi

Kỹ thuât phủ lớp bảo vệ hiện đang được ứng dụng rông rãi trong công nghiệp.Các chi tiết máy yêu cầu các đặc tính bề mặt khác nhau như khả năng chống ănmòn, mòn, oxy hóa Có nhiều phương pháp công nghệ thỏa mãn yêu cầu này Tuynhiên phương pháp tạo lớp phủ từ thể khí sẽ được đề cập trong phần này

Phủ bay hơi được chia thành hai nhóm chính là bay hơi hóa học (Phủ CVD)vàbay hơi vât lý (Phủ PVD) Trong nhóm này có rất nhiều kỹ thuât phủ dựa trênnguyên tắc dịch chuyển khối lượng từ một nguồn tới bề mặt cần phủ ở thể hơi.Một

số kỹ thuật kết hợp những đặc tính của một vài kỹ thuật khác nhau cho tính vạn năng cao hơn trong cả qua trình phủ và quá trình khai thác sử dụng sản phẩm.Thống kê số liệu của thị trường thế giới về dụng cụ phủ (Bảng 3.1) cho rằng phủCVD được ứng dụng trong ngành dụng cụ thì có đến 60% các dụng cụ hợp kim cứng.

Bảng 1.1 Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ

trong lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu

CVD yêu cầu một nguồn các khí dẫn, buồng phản ứng nâng nhiệt và một hệthống để xử lý khi thải Các khí dẫn bao gồm các khí trơ như: N và Ar, khí khử như H

và rất nhiều khí có hoạt tính khác như Methane, CO2, hơi nước…Một số khí dẫn ởdưới dạng dung dịch khí áp suất cao như TiCl4, SiCl4 Những chất này được nângnhiệt tới nhiệt độ trung bình (Dưới 600c) và hơi nước chuyển xuống buồng phảnứng bằng cách cho bọt khí mang (H hoặc Ar) đi qua dung dịch lỏng Một số khí dẫnđược tạo thành bằng cách biến đổi một kim loại rắn hay hợp chất thành hơinhư AlCl3 tạo thành nhờ phản ứng của Al với Cl hoăc HCL

Hỗn hợp khí được đưa tới một buồng phản ứng và nâng nhiệt tới nhiệt

độ yêu cầu Với CVD thông thường nhiệt độ phản ứng có thể từ 9000c – 20000cphụ

thuộc vào lớp phủ cần tạo thành Tuy nhiên khi sử dụng chất rẫn kim loại hữu cơnhiệt độ có thể hạ đến 5000c – 8500c (MTCVD) Do chất này bị phân tích ở nhiệt độtương đối thấp Nhiệt độ phản ứng có thể hạ thấp hơn bằng cách tăng hoạt tínhphản ứng của pha hơi Kỹ thuật này bao gồm PACVD, LCVD Phản ứng hóa học củapha khí được tăng lên bằng cách tạo ra plasma trong pha khí hoặc chiếu chùm tialaze vào hỗn hợp khí.

Các khí phản ứng sau đó được đưa vào các thiết bị xử lý để trung hòa cácchất có hoạt tính cao trong khí thải, tách chất rắn, làm nguội khí trước khi thải ramôi trường

1.2.2.2 Đặc trưng của phủ CVD

- Kỹ thuật lớp phủ cứng thông qua phản ứng hóa học ở thể khí giữa các hợpchất dẫn ở trạng thái khí tại nhiệt độ trung bình tới cao;

- Qúa trình được tiến hành ở áp suất khí quyển hoặc áp suất thấp;

- Sử dụng Plasma hoặc Laze cho phép hạ thấp nhiệt độ phủ do kích thíchhoạt tính của các chất phản ứng;

- CVD cho phép tạo lớp phủ hỗn hợp (Đa lớp);

- Mật độ và độ tinh khiết của lớp phủ có thể điều khiển;

- CVD có thể tạo lớp phủ trên các chi tiết có hình dạng phức tạp và trên cácvật liệu đặc biệt;

- Chiều dày lớp phủ có thể lớn do các dòng khí chuyển động ở dạng lớp;

- Cấu trúc của lớp phủ dạng hạt trụ Tuy nhiên cấu trúc dạng hạt mịnđều cạnh có thể đạt được;

- Điều khiển các phản ứng ở thể khí đặc biệt quan trọng trong việc tạonên các tính chất mong muốn cho lớp phủ;

- Một dải rộng kim loại, hợp kim, hợp chất có thể tạo nên lớp phủ hoặc chitiết riêng biệt

- Vật liệu phủ tối ưu: Al203, TiN, TIC

1.2.3 Phủ PVD

Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấpkhoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 4000c – 5000c Với nhiệt độ của quá trình nhưthế phủ PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió Do nhiệt độ thấp các nguyên tửkhí và kim loại khi bay hơi phải được ion hóa và kéo về bề mặt cần phủ nhờ mộtđiện thế âm đặt vào đó Quá trình bắn phá bề mặt cần phủ bằng các ion của khí trơđược thực hiện trước khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền.Theo nguyên tắc bay hơi phủ PVD có 4 dạng cơ bản: Sử dụng dòng điện tử có điệnthế thấp; dòng

điện tử có điện thế cao; điện quang và phương pháp phát xạ từ lệch Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN TiCN, TiAlN và CrN

Theo nguyên tắc bay hơi, phủ PVD có 4 dạng cơ bản:

- Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp

- Dòng điện tử có điện thế cao

- Hồ quang

- Phát xạ từ lệch

Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN Ứng suất

dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới5μ trong lớp phủ

những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp Hơn 30 năm qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN…

-sử dụng rộng rãi nhất cho các công cụ

1 Tăng tuổi thọ dao cụ dẫn đến chi phí gia công mỗi lỗ hổng hay lõi sẽ thấp hơn.

2 Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất Điều này có thể sẽ giữ nguyên mức chi phí gia công nhưng sẽ tăng năng suất của xưởng sản xuất bằng

cách tăng các thông số của chế độ cắt

công hiệu quả hơn Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá

, tăng năng suất hay cả hai

công hiệu quả hơn Tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ được sinh ra

Quản lý hiệu q các xu hướng sản xuất trong tương lai

khả năng cạnh tranh trong một thị trường cạnh tranh cao đồng thời để tăng lợi nhuận

Thườn mới hay thuê thêmnhân viên để đạt được mục tiêu này Tuy nhiên, bằng cách

- Điều kiện tiếp xúc: tải trọng, tốc độ, hình dạng hình học, nhiệt độ môitrường…Các điều kiện tiếp xúc thực tế rất khác nhau.

- Vật liệu tiếp xúc: bao gồm các thông số về tính chất vật lý, hóa học của lớpphủ, nền và bề mặt tiếp xúc đối tiếp

- Cấu trúc vi mô của lớp phủ: Gồm các thông số như cỡ hạt, tỷ trọng và độxốp những tham số đó có ảnh hưởng bởi các phương pháp khác nhau như phủ CVDhay phủ PVD

- Hệ thống hợp thể lớp phủ và nền bao gồm các thông số: Độ cứng, độ đànhồi của lớp phủ và nền, độ nhám bề mặt và khả năng tương thích nhiệt và hóacủa chúng Một tính chất quan trọng nữa là khả năng dính kết giữa lớp phủ và nền

- Do yêu cầu của thực tế, vật liệu lớp phủ được chia làm hai nhóm chính, đólà: Vật liệu lớp phủ mềm và vật liệu lớp phủ cứng Dưới đây trình bày một số loạivật liệu phủ cứng điển hình, thường dùng cho dụng cụ cắt kim loại

Lớp phủ cứng

- Lớp phủ cứng có khả năng chống mài mòn và ăn mòn rất tốt khi chịu tácđộng của các nguyên nhân cơ, hóa, nhiệt…Do vậy chúng được áp dụng cho các bềmặt cần có khả năng chống mài mòn, ăn mòn và mài mòn Nó sẽ làm tăng tuổi bền,nâng cao tính năng cắt cũng như tuổi bề của dụng cụ cắt, do đó nó đã và đang được

áp dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực này và đã đem lại nhiều hiệu quả cho quá trìnhcắt gọt

- Các tính chất khác của lớp phủ như: độ cứng tế vi, độ dính kết với nền, độnhám bề mặt, hệ số ma sát khi tiếp xúc, độ ổn định nhiệt và hóa…phụ thuộc nhiềuvào thành phần vật liệu của lớp phủ, công nghệ phun phủ

- Vật liệu lớp phủ cứng có rất nhiều loại các hợp chất như: các nitorit, các loạicacbit và các oxit hay một số hợp chất khác mà chúng được áp dụng với những ứngdụng phù hợp

hóa học CVD và phủ bay hơi lý học PVD Lớp phủ TiN được nghiên cứu trong một hệthống tỷ mỷ và chi tiết cùng với các lớp phủ cứng khác Từ đó người ta đã đánh giá

và có sự so sánh chính xác hơn về tính chất ma sát của lớp phủ TiN như: độcứng cao của lớp phủ, độ dính bám với nền, sự ổn định trạng thái hóa học

+ Độ dính bám với nền: Độ dính bám với nền có thể coi là độ bền của sự liênkết hóa học giữa lớp phủ và nền, nó phụ thuộc vào nhân tố như: trạng thái bềmặt nền, vật liệu nền và vật liệu lớp phủ thông qua cơ lý tính của chúng, ứngsuất của lớp tiếp giáp, công nghệ phủ

+ Khả năng chống mài do mài mòn: Khả năng chống mòn và mài mòn của lớpphủ TiN trên nền thép được cải thiện đáng kể với chiều dày lớp phủ khoảng 4-6μmtrên nền Độ nhám bề mặt lớp phủ lúc ban đầu cũng ảnh hưởng đến khả năngchống mòn, lớp bề mặt càng nhẵn thì nó càng ít bị mài mòn hơn

+ Khả năng chịu tác động tải trọng của hệ thống lớp phủ trên nền: là rất quantrọng Dạng hỏng khi mài mòn của lớp phủ được xác định từ sự tách ra của các lớpmỏng của quá trình mài mòn Do đó ta kết luận về khả năng chịu mài mòn thực tếcủa lớp phủ Hình 2.2 mô tả khả năng chịu tải trọng của lớp phủ cứng trên nềnmềm hơn

Hình 1.14 Khả năng chịu tải trọng của lớp phủ cứng trên nền mềm hơn

a, Biến dạng dẻo với lớp phủ mỏng; b, Không biến dạng với lớp phủ dày

Chiều dày lớp phủ có khả năng chống lại sự tác dụng của ứng suất tiếp xúckhi biến dạng với biến dạng nhỏ hoặc không biến dạng của lớp nền nằm dưới Chiều dày lớp phủ bị hỏng chủ yếu là do cơ chế dính gãy Khả năng chống mòn của lớp phủ