Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ pvd tin sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực skd61

Phủ bay hơi hoá học CVD Chemical Vapour Deposition - Phủ bay hơi lý học PVD Physical Vapour Deposition Sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới cho khả năng cắt với vận tốc cắt tới vàitrăm

Chương 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI

1.1 Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition)

Sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới cho khả năng cắt với vận tốc cắt tới vàitrăm m/phút cũng không làm mất đi vị trí quan trọng của thép gió trong cắt kim loại

vì thép gió có tính ưu việt: Khả năng dễ gia công, tạo hình được các dụng cụ cóhình dáng phức tạp, độ dai va đập cao (Khoảng 2,5 lần so với hợp kim cứng), độcứng nóng đáp ứng được các chế độ công nghệ trung bình và thấp, giá thành thấp.Thép gió được dùng làm dụng cụ cho các nguyên công như: Khoan, khoét, doa,phay rãnh…nói chung là các nguyên công gia công lần cuối Điều kiện thoát phoi

và nhiệt ở đó thường khó khăn hơn so với tiện vì thế việc nâng cao chế độ côngnghệ và tuổi bền cho dao thép gió bằng phủ có ý nghĩa vô cùng quan trọng để nângcao năng suất và chất lượng gia công

Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ PVD Phủ CVD Không phủ

dự đoán tốc độ sử dụng dụng cụ phủ hàng năm sẽ tăng đến 10% trong tương lai

1.1.1 Khái niệm phủ PVD

Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảngdưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC - 500oC Với nhiệt độ của quá trình như thế phủPVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió Do nhiệt độ tháp các nguyên tử khí và

kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế

âm đặt vào đó Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thựchiện trước khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền

Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN Ứngsuất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới5m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ.

Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên được giới thiệu vào đầunhững năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp Hơn 30 nămqua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với hầu hết cácứng dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã được sử dụng rộng rãi nhất chocác công cụ cắt

Bảng 2: Các dạng phủ PVD

Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybridđược phân loại như phủ ngoài ma sát thấp Những công nghệ phủ này cung cấp mộtgiải pháp gia công không thể thay thế được trong những vật liệu đòi hỏi tốc độ cắtthấp và độ mài mòn cao Phủ PVD là thành phần quan trọng của gia công tốc độ cao

vì khi tốc độ cắt tăng lên, lượng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công sẽ tăng lênnhiều

Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hoàn thiện bề mặt tốt hơn, hìnhhọc chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất thông qua sựtăng tuổi thọ công cụ Điều này có thể được đánh giá theo hai cách:

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

2 Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất Điều này có thể sẽ giữnguyên mức chi phí gia công nhưng sẽ tăng năng suất của xưởng sản xuất bằngcách tăng các thông số của chế độ cắt

Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình giacông hiệu quả hơn Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá trình sản xuất cóthể giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai.

Bảng 3: Khả năng gia công của vật liệu phủ

Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình giacông hiệu quả hơn Tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ được sinh

ra Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này rất quan trọng để theo kịp các xu hướng sảnxuất trong tương lai

Các nhà sản xuất hiện nay vẫn không ngừng tìm kiếm những biện pháp duy trìkhả năng cạnh tranh trong một thị trường cạnh tranh cao đồng thời để tăng lợinhuận Thường thì các nhà sản xuất phải đối mặt với việc mua thiết bị mới hay thuêthêm nhân viên để đạt được mục tiêu này Tuy nhiên, bằng cách phân tích quá trìnhgia công và ứng dụng một số công nghệ phủ ngoài hiện đại, các xưởng gia công cóthể tìm ra một giải pháp chi phí thấp nhằm làm tăng năng suất, tăng lợi nhuận hay

cả hai

1.1.2 Khái niệm phủ CVD

Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ các lớpmỏng ceramics như TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cương nhân tạo…với chiều dày5m ÷ 10m Chi tiết phủ được đặt và nung nóng trong buồng kín chứa khí H2

(dưới áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn) Các hợp chất bay hơi được đưa vào buồngnày để tạo ra các thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học Nhiệt độcủa quá trình từ 800o đến 1050o và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ.

1.1.3 Tại sao phải sử dụng phủ PVD hoặc CVD

Chưa quan tâm tới các ứng dụng cụ thể, lý do chính để sử dụng PVD hoặc CVDhết sức đơn giản, đó là bài toán kinh tế: Làm giảm chi phí trên mỗi sản phẩm

Bài toán tiết kiệm chi phí được xác định dễ dàng như sau:

Giảm thời gian gia công, thời gian thay dụng cụ + Tăng tốc độ gia công = Tiếtkiệm

1.1.4 Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ

Mặc dù mỗi phương pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánhgiá hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trưng chính được chọn làm cơ

sở, đó là: độ cứng và ma sát

Vật liệu Thép dụng cụ HSS Hợp kim cứng PVD & CVD

Độ cứng (HRC) 58 - 62 62 - 65 70 - 76 > 80

Bảng 4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ

So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều.Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa là sẽ làmgiảm áp lực tác dụng Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát sẽ làmgiảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm chậm quá trình phá hủylưỡi cắt Còn trong các ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sựbám dính của vật liệu cho phép quá trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn

1.1.5 Mức độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD

Theo các đánh giá sơ bộ, tuổi thọ dụng cụ khi phủ thường gấp từ 2 -3 lần so vớikhi không phủ Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, ứng dụng cụ thể còn cho thấytuổi thọ có thế tăng gấp 10 lần

1.1.6 Phương pháp phủ nào tốt hơn, PVD hay CVD

Có nhiều vấn đề khác nhau cần phải tính toán khi trả lời câu hỏi này như ứngdụng, vật liệu nền và dung sai dụng cụ

Đơn giản là khi dung sai và vật liệu cho phép, CVD sẽ có ưu thế hơn trongnhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các ứng dụng tạo hình biến dạng kim loại có ứngsuất cao Các quá trình phủ CVD tạo ra các liên kết kiểu khuếch tán giữa lớp phủ vànền, liên kết này lớn hơn nhiều so với liên kết được tạo ra trong PVD

Quá trình phủ CVD được thực hiện ở nhiệt độ cao, khoảng 800oC đến 1050o Đặc điểm này có thể làm hạn chế cho việc phủ CVD trong một số trường hợp.Quá trình phủ PVD thực hiện được trên một diện rộng hơn, với nhiều nền vàứng dụng khác nhau Đó là vì được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (400oC đến

500oC) với độ dày trung bình 2 - 5m

Với đặc tính này thì rất lý tưởng cho việc phủ PVD cho các dụng cụ cắt thép gió(HSS), hợp kim cứng cũng như các chi tiết đòi hỏi dung sai chặt chẽ như các chi tiếtkhuôn mẫu Hơn nữa, nhiệt độ quá trình thấp nghĩa là sai lệch về điểm “0” sẽ đượctiến hành trên hầu hết các vật liệu, miễn là nhiệt độ rút ra chính xác vẫn được duytrì

Phương pháp dùng dòng điện tử có điện thế thấp như hình 3 (a) dùng để phủTiN và TiCN sử dụng dòng điện tử 100V để bay hơi Ti Mức độ ion hoá của kimloại bay hơi và khí phản ứng cao, tuy nhiên hệ thống này chỉ phủ các chi tiết có kíchthước không lớn Tốc độ phủ thấp

Các dụng cụ có kích thước lớn thường được phủ bằng dòng điện tử có điện thếcao như hình 3 (b) Tốc độ phủ cao, tuy nhiên điện thế 10000V làm giảm khả năng

ion hoá của dòng kim loại bay hơi và phản ứng vì thế người ta sử dụng một hệ bacực để tăng mức độ ion hoá cho hệ thống Hệ thống này chỉ phủ được TiN và TiCN.

Hình 3: Sơ đồ 4 phương pháp phủ PVD cơ bản

(a) Dòng điện tử có điện thế thấp(b) Dòng điện tử có điện thế cao(c) Hồ quang

(d) Phát xạ từ lệch

Sơ đồ bay hơi bằng hồ quang được dùng để phủ TiAlN hình 3(c) Tuy nhiênhợp kim TiAl để bay hơi phải ở thể rắn nguyên khối Hệ thống này có thể tạo ra lớpphủ mỏng đến 2000A và tạo nên lớp khuếch tán giữa nền và lớp phủ Nhược điểmchủ yếu của phương pháp này là sự tạo thành các hạt Ti trên bề mặt lớp phủ, tuynhiên nhược điểm này có thể khắc phục được nhờ lưới lọc

Phương pháp phát xạ từ lệch có thể tạo nên bất kỳ lớp phủ nào hình 3 (d) Cácđiện cực âm tạo nên một plasma của các ion khí trơ làm bật các nguyên tử của kimloại bay hơi ra khỏi bề mặt, tạo thành lớp phủ trên bề mặt chi tiết sau khi tác dụng

với khí phản ứng Nam châm vòng ngoài của các điện cực âm phát xạ được chế tạomạnh hơn (lệch) so với bên trong để tạo nên một plasma ở vùng chi tiết phủ

Phủ PVD đã mở rộng phạm vi sử dụng của thép gió Ví dụ: Dao phay lăn răngthép gió phủ PVD trong một số trường hợp tỏ ra tốt hơn dao gắn mảnh các bít.Hơn nữa phủ PVD còn có thể phủ được ở trạng thái không cân bằng nhiệt màCVD không thể thực hiện được Ví dụ: Phủ hợp chất kim cương nhân tạo với cáchạt các bít siêu nhỏ WC/C

Ưu điểm của phủ PVD là cơ sở cho việc phủ các lớp bôi trơn cùng với các lớpphủ cứng như MoS2 và WC/C Chẳng hạn các lưỡi cắt của mũi khoan cần được bảo

vệ bằng các lớp phủ cứng nhưng các bề mặt rãnh thoát phoi cần được phủ bằng lớpgiảm ma sát Điều này mở ra một triển vọng mới về ứng dụng của phủ PVD cho cácdụng cụ ép, dập và các chi tiết máy chính xác

Hình 4: Hình ảnh một số thiết bị phủ và sơ đồ thiết bị phủ PVD

Hình 5: Các dụng cụ được ứng dụng phủ PVD

Bảng 5: Ứng dụng của phủ PVD

Bảng 6: Giới thiệu các dạng phủ PVD

Chương 2 - VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT BẰNG DAO

PHAY PHỦ BAY HƠI 2.1 Quá trình phay và phay rãnh

2.1.1 Khái niệm chung

Quá trình cắt khi phay phức tạp hơn khi tiện Khi tiện, dao tiện dao luôn tiếpxúc với chi tiết và cắt phoi với tiết diện không thay đổi Trong tất cả các trường hợpphay, phoi được cắt rời từng mảnh có chiều dày thay đổi Ngoài ra khi phay, ở mỗivòng quay của dao, mỗi răng của dao phay lúc vào chỉ tiếp xúc với chi tiết gia côngcòn lúc ra thì không tiếp xúc Lúc răng ăn vào chi tiết gia công có xảy ra hiện tượng

kỹ thuật trên bản vẽ Quá trình đó được thực hiện trên các máy phay (gọi chung làmáy công cụ hay máy cắt kim loại) bằng các loại dao phay, mũi khoan…gọi chung

là dụng cụ gia công cắt gọt

Phay là phương pháp gia công kim loại, có độ chính xác không cao hơn cấp 3-4

và độ bóng không hơn cấp 6, là một trong những phương pháp gia công đạt năngsuất cao nhất Bằng phương pháp phay người ta có thể gia công mặt phẳng, địnhhình phức tạp, rãnh then, cắt đứt, gia công mặt tròn xoay, trục then hoa, cắt ren,bánh răng…

Phay có thể dùng để gia công tinh, gia công lần cuối để đạt được độ bóng, độchính xác cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao, dùng trong sản xuấtđơn chiếc, sản xuất hàng loạt và hàng khối Số lượng nguyên công gia công cắt gọtđạt tới 60% - 70% công việc gia công cơ khí thì nguyên công phay cũng chiếm một

tỷ lệ lớn Máy phay có số lượng nhiều, chiếm tỷ lệ lớn và giữ một vị trí quan trọngtrong các nhà máy, phân xưởng cơ khí.

- Diện tích cắt khi phay thay đổi, do đó lực cắt thay đổi gây rung động trong quátrình cắt.

- Do lưỡi cắt làm việc gián đoạn, gây va đập và rung động, nên khả năng tồn tạilẹo dao ít

2.1.2 Sự tạo thành bề mặt và các dạng bề mặt gia công

Hình dạng bề mặt các chi tiết, dụng cụ gia công cơ khí rất đa dạng Khi mộtđiểm chuyển động tạo thành một đường, khi một đoạn thẳng (gọi là đường sinh)chuyển động liên tục dựa trên một đường khác (gọi là đường chuẩn) tạo thành mộtmặt Đó là quỹ đạo của một điểm hay một đường

Hình 7: Quỹ đạo của một điểm (a) và một đoạn thẳng (b)

Hình 7 Giới thiệu một số ví dụ tạo hình các bề mặt điển hình: mặt phẳng, mặtnón, mặt trụ, mặt cầu, mặt thân khai, mặt khai triển…

Chuyển động tương đối giữa đường sinh và đường chuẩn gọi là chuyển động tạohình bề mặt gia công, đó là chuyển động tương đối giữa dao và phôi để hình thànhnên bề mặt gia công, chúng có thể là chuyển động đơn giản hoặc phức tạp theo cácphương pháp chép hình, bao hình, quỹ tích (theo vết) và phương pháp tiếp xúc

B’’(b)

Hình 8: Các dạng bề mặt chi tiết gia công 2.1.3 Những hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt:

Quá trình cắt kim loại khi phay về nguyên tắc không khác quá trình cắt khi tiện

Ở đây tập trung nghiên cứu một số hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt Lớp kimloại được cắt gọi là phoi, có thể có nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiệngia công Theo giáo sư I A Timê thì phoi có các dạng sau đây: Phoi dây, phoi xếp

và phoi vụn

- Hiện tượng lẹo dao

Khi gia công vật liệu dẻo, trong một số trường hợp ở mặt trước của dao hìnhthành lẹo dao Đó là một mẩu vật liệu gia công có hình dạng chêm gắn chặt vào mặttrước của dao, nó bị biến dạng mạnh nên có độ cứng cao Mảnh kim loại này liêntục được tách ra cùng với phoi rồi lại được tạo thành Thực ra nó là phần cắt củadụng cụ và bảo vệ lưỡi cắt khỏi bị mòn Tuy vậy, nếu mặt trước của dao hình thànhlẹo dao thì chất lượng bề mặt gia công sẽ giảm Vì thế khi gia công tinh cũng nhưkhi cắt ren, lẹo dao là một hiện tượng xấu Để khử lẹo dao, cần phải mài bóng mặttrước của dao thật cẩn thận hoặc thay đổi tốc độ cắt (thường thường tăng tới30m/phút hoặc cao hơn), đồng thời cũng có thể sử dụng dung dịch trơn nguội trongtừng điều kiện gia công cụ thể

- Sự co rút phoi

Trong quá trình cắt phoi bị biến dạng và ngắn hơn so với phần chi tiết được cắt

ra Hiện tượng phoi bị ngắn theo chiều dài được gọi là sự co rút của phoi theo chiềudài Thể tích của kim loại khi bị biến dạng thực tế không thay đổi Vì vậy, trong khichiều dài của phoi giảm thì diện tích tiết diện ngang của phoi tăng Diện tích tiếtdiện ngang của phoi tăng được gọi là sự co rút của phoi theo chiều ngang

- Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt

Trong quá trình cắt chi tiết gia công, dụng cụ cắt và phoi bị nung nóng Khi tăngtốc độ cắt, đặc biệt là khi cắt các phoi mỏng, nhiệt độ trong vùng cắt sẽ tăng tới

600oC Nếu tốc độ cắt tiếp tục tăng, trong nhiều trường hợp phoi cắt sẽ bị nung nóngtới 900oC (màu đỏ sáng) Trong trường hợp này, trên bề mặt gia công của vật liệuthép có thể thấy nhiều màu sắc biến đổi chứng tỏ nhiệt độ ở lớp bề mặt của chi tiếttrong thời gian tiếp xúc với mặt sau của dụng cụ lên rất cao Nhiệt độ ở vùng cắttăng là do có hiện tượng cơ năng chuyển thành nhiệt năng trong quá trình cắt.

Uxachôp đã chứng minh rằng, nhiệt độ ở phoi chiếm 60-80% toàn bộ nhiệt tạothành khi cắt, ở dụng cụ 10-40%, còn ở chi tiết gia công 3-10%, nhiệt phân bốkhông đều trên cả phoi và dụng cụ cắt Ở dụng cụ cắt, khi làm việc liên tục thì nhiệthầu như cố định sau mấy phút làm việc Thực tế thì nhiệt trong chi tiết được cânbằng ngay sau khi gia công xong Nhiệt trong vùng cắt ảnh hưởng lớn tới toàn bộquá trình cắt gọt và các hiện tượng sinh ra trong quá trình đó (như lẹo dao, mòndao…) Vì thế hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt phải được chú ý thích đáng

Hình 9: Trường nhiệt độ trong dụng cụ gia công, phoi và vật liệu

Tạo phoi trong quá trình cắt và thoát phoi khỏi vùng cắt làm xuất hiện một hiệntượng nhiệt nhất định Nhiệt cắt xuất hiện bằng sự chuyển đổi từ công cắt, gần nhưtất cả công cần thiết trong quá cắt đều biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi

và công kín (tổng của hai loại công này nhỏ, không vượt quá 5%) Trong trườnghợp hệ thống công nghệ cứng vững thì công biến dạng đàn hồi và công kín cực đại

là 2% của công cắt, phần còn lại chuyển thành nhiệt trong quá trình cắt

Các nghiên cứu cũng đã chứng tỏ rằng khoảng 97 - 98% công suất cắt biếnthành nhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (qua mặt trượt AB), mặt trước AC vàmặt sau AD (nhiệt độ sinh ra tại vùng cắt có thể đến 13000C), thể hiện trên hình 9.Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường với tỷ lệ khácnhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi vàmôi trường Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:

Q = Qmặt phẳng trượt + Qmặt trước + Qmặt sau

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì nhiệt lượng này sẽ truyền vào hệ thốngdao, phoi, phôi và môi trường theo công thức sau:

Q = Qdao + Qphoi + Qphôi + Qmt

Hình 10: Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong quá trình cắt

Biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, ma sát giữa vật liệu giacông với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ởvùng gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá huỷ bộ phậnđến hoàn toàn khả năng làm việc của lưỡi cắt Nhiệt cắt và nhiệt độ trong dụng cụcắt tăng khi cắt với vận tốc cắt cao và lượng chạy dao lớn

Hình 11: Mối quan hệ giữa tốc độ cắt, lượng mòn mặt sau đến nhiệt độ trên mặt

trước dụng cụ cắt

Nhiệt của phoi tại thời điểm cụ thể ở khoảng khắc tức thời có thể coi là kết quảtác động của hai nguồn: nguồn nhiệt trên mặt cắt (mặt trượt) biến dạng đàn hồi bậcnhất và nguồn ma sát trên mặt trước

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết của trường nhiệt độ khi gia công

đã rút ra một số kết luận:

- Trường nhiệt độ khi gia công là không ổn định

- Nhiệt độ của môt điểm xác định (x, y, z) phụ thuộc vào các yếu tố sau:) phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Tính chất vật lý của vật liệu dụng cụ và chi tiết

+ Điều kiện cắt

+ Phương pháp gia công (khoan, tiện, phay, mài)

+ Môi trường cắt

Từ quan điểm ứng dụng thực tiễn chúng ta quan tâm trước tiên đến trường nhiệt

độ của dụng cụ (vì lý do kinh tế) và trường nhiệt độ của chi tiết gia công (vì lý dochất lượng) Trường nhiệt độ và nhiệt độ trung bình của chi tiết gia công có ảnh

hưởng đến độ chính xác kích thước và trạng thái lớp bề mặt của chi tiết gia công(biến cứng và ứng suất dư).

Hình 12: Trường nhiệt độ chi tiết khi phay với các chế độ cắt khác nhau

Trên hình 12 là ảnh hưởng của chiều dày phoi (lượng chạy dao Sz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:) đến sự phân

bố nhiệt độ trong chi tiết khi phay Khi tăng chiều dày thì tăng thì tăng nhiệt độtrung bình của chi tiết gia công và chiều sâu đẳng nhiệt với  > 20oC dưới bề mặtcắt Trường hợp đặc biệt trường nhiệt độ ở chiều dày phoi cắt nhỏ, gần với lát cắt(ăn khớp) tối thiểu, ngược lại khi giảm chiều dày thì dẫn đến tăng nhiệt độ của chitiết gia công

Ở các loại dụng cụ làm việc không liên tục (khi phay) và khả năng dẫn nhiệtkém thì những sự va đập và sự chênh lệch nhiệt lớn có thể dẫn đến việc xuất hiệnnhững vết nứt, rạn dụng cụ

n = 63vg/ph, s = 112mm/ph, h = 3mm n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 2mm

n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 1mm n = 90vg/ph, s = 40mm/ph, h = 3mm

Hình 13: Ảnh hưởng của chế độ cắt đến trường nhiệt độ của dao phay

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trường nhiệt độ của dụng cụ không những chobiết một cách tổng quát về sự phân bố đẳng nhiệt ở lưỡi cắt mà còn có khả năngđánh giá ảnh hưởng của điều kiện cắt đến trường nhiệt độ của dụng cụ Trườngnhiệt độ của dụng cụ, trước hết nhiệt độ của các lớp bề mặt mà chúng được xác định

do tác động của phoi và bề mặt cắt, có ảnh hưởng đến khả năng tổng thể của dụng

cụ chống lại mài mòn Tăng nhiệt độ của lớp bề mặt thì phần lớn có hậu quả là tăngcường độ biến cứng của tất cả các dạng mài mòn

Nhiệt độ của của các lớp bề mặt trước và sau có ảnh hưởng rõ nét đến trạng tháicủa những lớp bề mặt này, đến đặc tính của sự tác động tương hỗ của chúng với vậtliệu của chi tiết gia công và đến cả bản chất và cường độ mài mòn dụng cụ Xét vềmặt mài mòn của dụng cụ thì chúng ta quan tâm đến nhiệt độ cực đại trên mặt trước

và mặt sau và cả sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này

Ví dụ: xác định nhiệt độ trung bình của toàn bộ bề mặt tiếp xúc của dụng cụ vớiphoi và chi tiết gia công tức là của các phần hoạt động của mặt trước và mặt saucùng đồng thời Đương nhiên nhiệt độ trung bình thấp hơn nhiệt độ cực đại trên lưỡicắt nhưng nó có ưu điểm là có thể xác định một cách dễ dàng hơn

Từ quan điểm thực tiễn kỹ thuật thì nhiệt cắt trung bình các điểm tiếp xúc củavật liệu gia công và vật liệu dụng cụ cắt là có ý nghĩa nhất Nhiệt độ này có ảnhhưởng quyết định đến tính chất cơ học và vật lý của các lớp bề mặt tiếp xúc, tức làảnh hưởng đến quá trình mài mòn của dụng cụ Độ chính xác của chi tiết gia công

bị ảnh hưởng bởi sự nung nóng nó trong quá trình cắt Độ nung nóng của chi tiếtđược đặc trưng bằng nhiệt độ trung bình

Dụng cụ bị mài mòn làm thay đổi hình học của phần cắt và làm cho nhiệt cắtthay đổi Sự thay đổi nhiệt cắt phụ thuộc và đặc tính mài mòn của dụng cụ cắt Khităng rãnh lõm trên mặt trước thì nhiệt độ tại điểm tiếp xúc trên mặt trước có phầngiảm đi, bởi vì giảm góc cắt Đó là nguyên nhân dẫn tới chiều dày cắt trung bình có

cả mòn mặt trước và mặt sau làm nhiệt cắt tăng dần với sự mài mòn lưỡi cắt nhưng

tăng chậm hơn ở các loại phoi có chiều dày cắt nhỏ khi mài mòn chỉ diễn ra ở mặtsau

Khi sử dụng dung dịch trơn nguội thì thông thường nhiệt độ cắt giảm nhanh vìngoài tác dụng làm nguội, dung dịch còn có tác dụng bôi trơn làm giảm ma sát trongquá trình cắt Hiệu quả làm nguội càng lớn thì nhiệt cắt càng giảm nhiều

Đặc thù của quá trình gia công cũng ảnh hưởng đến nhiệt cắt Ví dụ khoan lỗsâu, tiện lỗ trong, tiện cắt đứt…thì nhiệt cắt sẽ lớn hơn Sử dụng dung dịch trơnnguội trong trường hợp này có hiệu quả lớn đến tuổi bền của dụng cụ

Trong nghiên cứu này tác giả không sử dụng dung dịch trơn nguội mà sử dụngluồng khí để thổi phoi khỏi cùng cắt, tạo điều kiện phoi thoát ra được dễ dàng,không ảnh hưởng đến dụng cụ gia công

2.1.4 Các chuyển động cơ bản khi phay

Chuyển động cơ bản là các chuyển động để thực hiện quá trình cắt gọt, hìnhthành các bề mặt chi tiết gia công, bao gồm:

- Chuyển động chính (chuyển động cắt): là chuyển động chủ yếu thực hiện quátrình cắt tạo ra phoi, ký hiệu là V hoặc n Chuyển động chính khi phay là chuyểnđộng quay tròn của dao phay được truyền dẫn qua trục chính

- Chuyển động chạy dao S là chuyển động để thực hiện quá trình cắt tiếp tục vàcắt hết chiều dài chi tiết Đó là chuyển động dọc, ngang hoặc thẳng đứng của bànmáy phay có gá phôi Chúng thường vuông góc với trục dao

2.1.5 Các thành phần của lớp bề mặt bị cắt khi phay

Các thông số của yếu tố cắt và chế độ cắt khi phay bao gồm chiều sâu lớp cắt to,lượng chạy dao S, vận tốc cắt V, chiều sâu phay t, chiều rộng phay B, chiều dày cắt

a Khi phay các yếu tố này ảnh hưởng đến tuổi bền của dao, chất lượng bề mặt giacông, công suất cắt và năng suất cắt

- Chiều sâu cắt t o

Chiều sâu cắt là kích thước lớp kim loại được cắt đi ứng với một lần chuyểndao, đo theo phương vuông góc với bề mặt gia công (mm)

- Lượng chạy dao S

Được phân làm 3 loại:

+ Lượng chạy dao răng Sz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:: là lượng dịch chuyển của bàn máy (mang chi tiết giacông) sau khi dao quay được một góc răng (mm/răng)

+ Lượng chạy dao vòng Sv: là lượng dịch chuyển của bàn máy khi dao quayđược một vòng (mm/vòng) Sv = Sz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:.Z

+ Lượng chạy dao phút Sph: là lượng dịch chuyển của bàn máy sau thời gian1phút (mm/phút) Sph = Sz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:.Zn

- Tốc độ cắt

Tốc độ cắt khi phay được biểu diễn:

s n

V   

) cos(

2 2 2

s n s

n s

Vc = Vn = .D.n/1000 (m/phút)

Và quỹ đạo của lưỡi cắt là vòng tròn có phương trình sau:

x = RSin

y = R(1 - cos)

- Chiều sâu phay t

Chiều sâu phay là kích thước lớp kim loại được cắt đi, đo theo phương vuônggóc với trục của dao phay ứng với góc tiếp xúc 

Khi phay rãnh bằng dao phay ngón thì chiều sâu phay bằng đường kính dao, khiphay bề mặt vuông góc thì chiều sâu phay bằng chiều sâu cắt to

- Chiều rộng phay B

(2-2)

Chiều rộng phay là kích thước lớp kim loại được cắt theo phương chiều trục củadao phay Khi phay bằng dao phay ngón thì chiều rộng phay bằng chiều sâu rãnh,khi phay mặt phẳng bằng dao phay mặt đầu thì chiều rộng phay bằng chiều sâu cắt

to (B = to)

- Góc tiếp xúc 

Là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc t giữa dao và chi tiết

Khi phay bằng dao phay trụ, dao phay ngón, dao phay đĩa và dao phay định hìnhgóc tiếp xúc được tính theo công thức sau:

Cos = 1 - 2t/D hay Sin =

D

t



 2

cos

(2-3)

Hình 14: Góc tiếp xúc khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón

Khi phay đối xứng bằng dao phay mặt đầu thì: Sin2 = D t (2-4)

Khi phay không đối xứng bằng bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón thì:

- Chiều dày cắt a khi phay

Chiều dày cắt khi phay là một trong những yếu tố quan trọng của quá trìnhphay Chiều dày cắt khi phay là khoảng cách giữa hai vị trí kế tiếp của quỹ đạochuyển động của một điểm trên lưỡi cắt ứng với lượng chạy dao răng Sz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Ở trên ta coi gần đúng quỹ đạo chuyển động tương đối của lưỡi cắt là đườngtròn, do đó chiều dày cắt a được đo theo phương đường kính của dao Trong qúatrình phay, chiều dày cắt a biến đổi từ trị số amin đến amax hoặc từ amax đến amin tuỳtheo phương pháp phay

Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu:

Hình 16: Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu

Từ hình 16 cho sơ đồ tính toán chiều dày cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu.Sau khi bàn máy dịch chuyển một đoạn Sz) phụ thuộc vào các yếu tố sau: thì quỹ đạo của lưỡi cắt dịch chuyển từ vịtrí 1 đến vị trí 2 và lưỡi dao cắt một lớp kim loại có chiều dày là aM thay đổi phụthuộc vào vị trí của điểm M (nghĩa là phụ thuộc vào vị trí của góc )

Theo hình 16, ta có:

Trong đó:  là góc nghiêng chính

Ta có thể coi tam giác CMN là tam giác vuông với góc CMN = 900 do đó:

n = Sz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:cos (2-8)Thay (2-8) vào (2-7) ta có:

aM = Sz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:cossin (2-9)Công thức trên biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dày cắt aM với góc  xác định

vị trí tức thời của một răng khi đang cắt

- Chiều rộng của lớp cắt khi phay

Khi phay bằng dao phay mặt đầu, dao phay ngón, chiều rộng lớp cắt giống nhưkhi tiện là một lượng không đổi

Trường hợp   0 thì b = sinbcos (2-11)Đối với dao phay trụ răng thẳng thì b = B

- Diện tích cắt khi phay

Diện tích cắt do n răng đồng thời tham gia cắt là:

F = Sz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:B

Ftb =

D

z BtS z

2.1.6 Các thành phần lực cắt và công suất cắt khi phay

- Lực cắt tổng R tác dụng lên một răng dao phay cũng như lực cắt khi tiện có thểđược phân thành những lực thành phần theo các phương xác định

Khi phay bằng dao phay trụ răng thẳng ta có:

Pr: lực hướng kính tác dụng vuông góc với trục chính, có xu hướng làmvõng trục gá dao, đồng thời tạo ra một áp lực trên các ổ của trục chính.

Pd: thành phần lực thẳng đứng, tuỳ theo phay thuận hay nghịch mà nótác dụng đè chi tiết xuống hay nâng chi tiết lên

Ta có quan hệ sau:

Pn là thành phần lực nằm ngang hay là lực chạy dao vì nó có phương trùng vớiphương chạy dao Tuỳ theo phay thuận hay phay nghịch mà nó có tác dụng làmtăng hay giảm độ dơ cơ cấu truyền động chạy dao Tính toán cơ cấu chạy dao cũngnhư đồ gá kẹp chi tiết ta có:

- Công suất cắt hiệu dụng Ne: là công suất cần thiết để thực hiện quá trình cắt gọt(không kể hệ số có ích của máy) Nó bằng tích giữa lực Pz) phụ thuộc vào các yếu tố sau: và tốc độ cắt v

Trong trường hợp này công thức để tính công suất có dạng:

Dựa theo lực Pz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:, ta xác định mômen xoắn M:

M = Pz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:.D/2 (kGm) (2-18)

2.1.7 Phay bậc và phay rãnh bằng dao phay ngón

Bậc và rãnh được gia công bằng dao phay ngón trên các máy phay ngang vàmáy phay đứng Dao phay ngón được chế tạo với răng trung bình và răng lớn Daophay răng trung bình để gia công tinh và bán tinh, còn dao phay răng lớn dùng giacông thô

Hình 17: Phay lỗ chữ nhật trên phôi hộp, phay bậc bằng dao phay ngón

Độ chính xác của rãnh theo chiều rộng khi gia công bằng dao định kích thước(phay đĩa và dao phay ngón) phụ thuộc vào độ chính xác của dao, độ chính xác và

độ cứng vững của máy, độ đảo của dao khi kẹp trên trục chính Nhược điểm của daođịnh kích thước là kích thước giảm khi dao bị mòn và sau khi mài sắc lại

Để đạt kích thước chính xác theo chiều rộng của rãnh có thể phay làm hai bước:thô và tinh Khi phay tinh, dao phay chỉ cắt rãnh theo chiều rộng và như vậy kíchthước đảm bảo trong thời gian dài

Trong quá trình gia công rãnh bằng dao phay ngón, phoi phải được thoát lênphía trên theo các rãnh thoát để bề mặt gia công không bị phá hoại và các răng củadao không bị gãy Tuy nhiên thành phần lực cắt hướng trục Px có hướng từ trênxuống dưới và có xu thế kéo dao ra khỏi trục chính Vì vậy, khi phay rãnh cần phảikẹp dao vững hơn khi gia công các bề mặt hở

Hình 18: Phay rãnh then bằng dao phay ngón

Cũng trong trường hợp gia công bằng dao phay trụ và dao phay mặt đầu, chiềuquay của dao và hướng của rãnh xoắn cần phải ngược nhau, vì trong trường hợp đóthành phần lực cắt hướng trục sẽ hướng vào trục chính và siết chặt dao hơn

Các công dụng khác của dao phay ngón: ngoài việc gia công bậc và rãnh, daophay ngón còn được sử dụng để gia công các bề mặt khác nhau trên máy phay đứng

và máy phay ngang Ví dụ: dao phay ngón để gia công các mặt hở nằm ngang, đứng

và nghiêng

2.2 Ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến tương tác ma sát

2.2.1 Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trượt

Theo Arnell cả ma sát và mòn đều phục thuộc vào kiểu biến dạng tại chỗ tiếpxúc ở đỉnh các nhấp nhô, tức là phục thuộc vào chỉ số biến dạng dẻo hoặc độ cứnghoặc mô đun đàn hồi Lớp phủ có thể làm thay đổi cả kiểu và mức độ biến dạng ởchỗ tiếp xúc vì lớp phủ và nền đã tạo nên một hệ composite Điều này tạo ra nhữngthay đổi vô cùng quan trọng trong hệ thống ma sát, mòn và bôi trơn Komvopoulos

và đồng nghiệp đã tiến hành thí nghiệm về mòn của đầu phủ TiN và đĩa, họ thấyrằng biến dạng tại chỗ tiếp xúc trượt chủ yếu là đàn hồi khi lớp phủ chưa bị vỡ vàmòn hầu như bằng không

Holmberg cho rằng tỷ số độ cứng của lớp phủ và nền là một thông số rất quantrọng ảnh hưởng tính chất ma sát của bề mặt phủ với bề mặt đối tiếp

và cao Hệ số ma sát trượt giữa TiN và thép thay đổi trong khoảng 0,01 đến 0,6 cóthể giải thích sự tạo thành và không tạo thành lớp màng mỏng trên bề mặt tiếp xúcchung Lớp màng mỏng Fe2O3 và TiO2 đã được phát hiện trong các nghiên cứu củaHolmberg khi quan sát đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN Hendenqvist và Olsson

đã phát hiện lớp màng mỏng Silica tạo thành trên bề mặt lớp phủ khi dùng đầu théptrượt trên đĩa thép phủ TiN

Holmgerg cho rằng, lớp phủ cứng có khả năng ngăn cản các nhấp nhô bề mặtđâm sâu vào nhau và cào xước lên nhau dẫn đến giảm ma sát và mòn Tuy nhiên,Van Stappen cho rằng lớp phủ chỉ có khả năng giảm thành phần cào xước của lực

ma sát nếu như các hạt cứng trong vật liệu đối tiếp nhỏ đáng kể so với chiều dày của

lớp phủ Độ cứng cao của lớp phủ còn có tác dụng giảm thành phần biến dạng củalực ma sát.

Ví dụ: Độ cứng của TiN là 2200-2500kg/mm2; của TiCN là 2800-3200kg/mm2

cao hơn rất nhiều so với độ cứng của thép ở trạng thái ủ

Vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tương tác ma sátcủa hệ phủ Các thí nghiệm về ma sát giữa thép và một số lớp phủ PVD của Konig

và Kammerleier cho thấy rằng khi tăng vận tốc trượt tương đối hệ số ma sát giảmđối với tất cả các hệ Nguyên nhân là do nhiệt độ cao sinh ra ở chỗ tiếp xúc khi tăngvận tốc trượt tương đối làm giảm sức bền của thép ở vùng bề mặt

Ví dụ: Khi vận tốc trượt nhỏ (khoảng 7m/s) hệ số ma sát của thép với TiAlN làlớn nhất trong ba hệ phủ TiAlN, TiN và TiCN do cấu trúc bề mặt của TiAlN khôngmịn như TiN và TiCN nên thành phần cào xước của lực ma sát chiếm ưu thế.Nhưng khi tăng vận tốc trượt thì hệ số ma sát của TiAlN với thép trở nên nhỏ nhất

Có thể thấy rằng lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát do độ cứng cao của lớpphủ làm giảm các thành phần cào xước và biến dạng dẻo của lực ma sát, hơn nữatương tác hoá học giữa hai bề mặt đối tiếp tạo nên một lớp màng tiếp xúc có sứcbền cắt thấp là nguyên nhân làm giảm ma sát gữa hai bề mặt

2.2.2 Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại

Lớp phủ trên bề mặt dụng cụ có tác dụng làm giảm ma sát giữa phoi và mặttrước, chủ yếu là giảm dính do độ cứng cao và tính trơ hoá học cao của lớp phủ làmtăng góc tạo phoi  dẫn tới giảm kích thước lẹo dao và loại trừ lẹo dao ở tốc độ cắtthấp hơn như hình 19

Hình 19: a So sánh quá trình tạo phoi khi cắt bằng dao phủ TiN và dao không phủ

b Đồ thị biểu diễn thể tích của lẹo dao khi cắt thép 1045

Từ hình 19 có thể thấy rằng lớp phủ cứng làm giảm ma sát giữa phoi và mặttrước, chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước, chiều dày của phoi dẫn đến tănggóc tạo phoi  và làm cho vùng tiếp xúc trên mặt trước tiến gần lưỡi cắt hơn Hình

19 cho thấy TiN có khả năng loại trừ lẹo dao tốt nhất so với TiC và oxide Ở vận tốccắt trên 50 m/phút lẹo dao hầu như bị loại trừ

Nghiên cứu của Konig chỉ ra rằng tính chất nhiệt của lớp phủ có ảnh hưởng rấtlớn đến quá trình tạo phoi Nhiệt độ cao trên mặt trước và khả năng dẫn nhiệt kémcủa lớp phủ sẽ làm giảm sức bền cắt của thép các bon Ở trạng thái như thế biếndạng dẻo xảy ra trước, làm phoi tách ra khỏi phôi dễ hơn dẫn đến tăng góc tạo phoi

và giảm chiều dày của phoi Ngược lại khi lớp phủ có hệ số dẫn nhiệt cao sẽ làmcho quá trình tạo phoi khó khăn hơn

Ví dụ: TiCN có hệ số dẫn nhiệt 36W-1.K-1 lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của TiN(19W-1.K-1) sẽ làm giảm góc tạo phoi  và tăng chiều dày của phoi Nguyên nhân là

do nhiệt thoát nhanh từ mặt trước vào dụng cụ làm giảm nhiệt độ ở mặt dưới củaphoi làm cho quá trình thoát phoi trở lên khó khăn hơn Trong thí nghiệm của Konigchiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước tăng từ dao phủ TiAlN đến TiN đến TiCNtương ứng với sự tăng của lực cắt lên 20% của dao phủ TiN và 33% của dao phủTiCN so với dao phủ TiAlN Sau này Konig và Kêmmrmeier cho rằng hệ số thẩmnhiệt thấp của lớp phủ xác định theo công thức: b2 = c.. (b: hệ số thẩm nhiệt, c:nhiệt dung riêng, : tỷ trọng, : hệ số dẫn nhiệt) mới là yếu tố làm tăng góc tạo phoi

và giảm chiều dày của phoi

Có thể thấy rằng tính trơ hoá học và tính chất nhiệt đặc biệt của vật liệu phủ cóảnh hưởng rất lớn đến tương tác ma sát trên mặt trước và quá trình tạo phoi

2.2.3 Ảnh hưởng của tạp chất trong thép đến tương tác ma sát trong cắt kim loại

Các tạp chất phi kim loại trong thép có ảnh hưởng rất lớn đến tính gia công vớimức độ khác nhau phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, sự phân bố và tỷ trọng của

chúng Các nguyên tố như lưu huỳnh, silíc, phốt pho vv… có ảnh hưởng lớn đếnhình dạng, kích thước và đặc tính của các tạp chất làm thay đổi tính gia công.

Phốt pho và lưu huỳnh có tác dụng tăng tính gia công, silíc làm giảm tính giacông Các nguyên tố khác như các bon và mangan có tác dụng làm tăng sức bền củathép và làm giảm tính gia công

Theo Trent, Optiz) phụ thuộc vào các yếu tố sau: và Kankaanpaa, tạp chất trong thép có tác dụng tạo ra lớpđọng MnS và silicate như một lớp bôi trơn giữa phoi và mặt trước của dụng cụ cótác dụng giảm mòn Ngược lại, Liesling và Shaw lại cho rằng tạp chất (như MnS)không đóng vai trò là chất bôi trơn theo cách nghĩ thông thường bởi vì hàm lượnglưu huỳnh càng cao thì hệ số ma sát trung bình trên mặt trước càng lớn Kieslingcũng phát hiện các tạp chất MnS nhỏ có tác dụng làm tăng ma sát trên mặt trước củadụng cụ, bởi vì các tạp chất nhỏ thường có khuynh hướng khó bị biến dạng hơn cáctạp chất lớn và do đó không có khả năng tạo nên những vùng dễ biến dạng dẻotrong vùng biến dạng thứ hai Theo ông thì MnS có hai tác dụng đó là giảm biếndạng trong vùng mặt phẳng trượt (tác dụng khối) và tăng ma sát trên mặt trước (tácdụng bề mặt) Trong các điều kiện cắt thông thường tác dụng thứ nhất chiếm ưu thế,tuy nhiên khi vận tốc cắt thấp và lượng chạy dao nhỏ thì tác dụng thứ hai chiếm ưuthế

Cho đến nay một số nghiên cứu đã phát hiện được sự tồn tại của lớp đọng tạpchất trên mặt trước của dao và ảnh hưởng của nó tới tuổi bền Milovic đã quan sátđược lớp đọng MnS trên mặt trước của dao thép gió phủ TiN dùng cắt thép các bon

dễ gia công với tốc độ cắt 75m/phút Lớp đọng này làm giảm ma sát giữa phoi vàmặt trước và có tác dụng tăng tuổi bền của dao Palmai cũng khẳng định được sựhình thành lớp đọng trên mặt trước với thành phần hoá học gồm MnS và silicate khicắt thép C45 bằng dao thép gió M2 phủ TiN với tốc độ cắt 45m/phút có tác dụngtăng tuổi bền Kankaanpaa đã tìm thấy lớp đọng chứa các nguyên tố như Mangan,silic, lưu huỳnh và canxi trên mặt trước của dụng cụ thép gió phủ TiN khi cắt thépkhử ôxy bằng calcium Sự tồn tại của lớp đọng này làm tăng tuổi bền của dụng cụ

Tóm lại việc hình thành lớp đọng phi kim loại trên mặt trước của dao hợp kimcứng, ceramic và phủ làm thay đổi tương tác ma sát trên mặt trước dẫn đến tănghoặc giảm tuổi bền của dụng cụ.

2.3 Chất lượng bề mặt sau gia công cơ

2.3.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt

Bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau Bề mặt kim loại có thểđược tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặctính khác nhau Để xác định đặc trưng của bề mặt ta cần biết mô hình và định luậtkim loại nguyên chất không có tương tác với 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 đónghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trường để thiết lập kháiniệm mô hình bề mặt thực

2.3.2 Bản chất của lớp bề mặt

Bề mặt vật rắn hay chính xác là một mặt phân cách rắn - khí hay rắn - lỏng cócấu trúc và tính chất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, phương pháp tạonên 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 vìtính chất bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới diện tích tiếp xúc thực, ma sát, mòn và bôitrơn Hơn nữa các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụngkhác nhau như: Quang học, nhiệt, điện, 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 làlớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tương tác hoá học, lớp Beibly, lớp biến dạng khốcliệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là lớp vật liệu nền

Hình 20: Chi tiết bề mặt vật rắn

Chiều dày của lớp biến dạng dẻo phụ thuộc vào hai yếu tố: Công hoặc nănglượng của quá trình biến dạng và bản chất của vật liệu Chiều dày của lớp nàythường từ 1 đến 100m tuỳ theo mức độ biến dạng cũng như tốc độ biến dạng Kíchthước hạt trong các lớp biến dạng dẻo này thường rất nhỏ do bị biến dạng với tốc độcao kèm theo quá trình kết tinh lại Hơn nữa các tinh thể và hạt tại bề mặt tiếp xúcchung tự định hướng lại trong quá trình trượt giữa hai bề mặt.

- Lớp Beibly

Lớp Beibly trên bề mặt kim loại là hợp kim được tạo nên do sự chảy và biếndạng dẻo bề mặt, do biến dạng và tốc độ biến dạng lớn của các lớp phân tử bề mặttrong quá trình gia công cơ, sau đó cứng lên nhờ quá trình tôi do nền vật liệu khối

có nhiệt độ thấp Lớp Beibly có cấu trúc vô định hình hoặc đa tinh thể có chiều dày

từ 1 đến 100m Các nguyên công gia công như mài nghiền, đánh bóng có thể giảmchiều dày của lớp này

- Lớp tương tác hoá học

Trừ một số các kim loại hiếm như vàng và bạch kim, tất cả các kim loại đềuphản ứng với oxy để tạo nên oxides trong không khí Trong các môi trường khácchúng có thể tạo nên các lớp nitrides sulfides hay chlorides

Lớp ôxy hoá có thể tạo thành trong quá trình gia công cơ hay ma sát Nhiệt sinh

ra trong quá trình tạo hình hoặc ma sát làm tăng tốc độ ôxy hoá và tạo nên nhiềuloại oxides khác nhau Khi cặp đôi ma sát hoạt động trong không khí phản ứng có

thể xảy ra giữa các lớp oxides của hai bề mặt Sự tồn tại của chất bôi trơn và chấtphụ gia có thể tạo nên các lớp oxides bảo vệ bề mặt quan trọng.

Lớp ôxy hoá có thể gồm một hay nhiều lớp thành phần Sắt có thể tạo thànhoxides sắt với hỗn hợp các oxides Fe2O4, Fe2O3 và lớp FeO trong cùng Với hợpkim, lớp oxides bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài oxides, một số oxides có tácdụng bảo vệ không cho quá trình ôxy hoá tiếp tục xảy ra như trên bề mặt của nhôm

và titan

- Lớp hấp thụ hoá học

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

- Lớp hấp thụ vật lý

Bên ngoài lớp hấp thụ hoá học là lớp hấp thụ vật lý, chủ yếu là các thành phần

từ hơi nước, ôxy, hydrô các bon trong không khí tồn tại dưới dạng đơn hoặc đaphân tử với chiều dày khoảng 3nm Các lớp màng dầu mỡ trên bề mặt cũng thuộcloại lớp hấp thụ vật lý Ở đây không tồn tại việc dùng chung hoặc trao đổi electronsgiữa các phân tử vật rắn và chất hấp thụ Quá trình hấp thụ vật lý liên quan đến lựcVander Woals Các lực này rất yếu so với lực tương tác trong không khí trơ ở trạngthái lỏng Để làm sạch các lớp hấp thụ này cần rất ít năng lượng (1 - 2Kcal/mol)hơn nữa trong môi trường chân không cao (khoảng 10-8Pa) lớp này không tồn tạitrên các bề mặt các chất rắn

2.3.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công cơ

Chất lượng của chi tiết được đánh giá bằng những tiêu chuẩn về hình dạng hìnhhọc thực tế của bề mặt gia công, độ chính xác kích thước và đặc tính cơ lý của lớp

bề mặt Đặc tính cơ lý của lớp bề mặt ở đây được hiểu là những sai lệch so với tính

chất cơ lý của vật liệu gia công ban đầu Thực tế chứng tỏ rằng chất lượng bề mặtchi tiết gia công (chủ yếu là độ nhấp nhô và tính chất cơ lý) quyết định tính chất sửdụng của chi tiết bởi vì các chi tiết thường bị hư hỏng từ lớp bề mặt và do đó phụthuộc vào các nguyên công cuối.

Để đánh giá 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 đo độ nhám Ra, Rz) phụ thuộc vào các yếu tố sau:, RMax…bằng máy đo profin Phương phápnày sử dụng mũi dò để đo profin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn tới cấp 11 Đây làphương pháp được tác giả sử dụng sau khi phay các thí nghiệm

- Phương pháp so sánh, có thể so sánh theo hai cách:

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

Tính chất cơ lý của lớp bề mặt gia công được đánh giá bởi các chỉ tiêu chủ yếusau đâu:

- Mức độ cứng nguội.

- Chiều sâu cứng nguội

- Trị số, chiều sâu và dấu của ứng suất dư ở lớp bề mặt

* Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt

Trong quá trình gia công cơ dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của lớpkim 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 Trongvùng cắt, thể tích riêng của kim loại tăng, còn mật độ kim loại giảm làm xuất hiệnứng suất Khi đó nhiều tính chất của lớp bề mặt thay đổi như giới hạn độ bền, độcứng, độ giòn được nâng cao, ngược lại tính dẻo dai lại giảm…Kết quả là lớp bềmặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao Mức độ biến cứng và chiềusâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các phương pháp gia công và các thông số hìnhhọc của dao Cụ thể là phụ thuộc vào lực cắt, mức độ biến dạng dẻo của kim loại vànhiệt 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 sẽhạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặtphụ 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 lớp bề mặt của các phương pháp giacông khác nhau được thể hiện trong bảng sau:

Phương pháp gia công Mức độ biến cứng

(%)

Chiều sâu lớp biến cứng (m)

Mài phẳng 150 16 - 25

Bảng 7: Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công cơ

Hình 21: Sơ đồ tạo thành lớp cứng nguội của bề mặt gia công

Khi gia công lớp bề mặt chịu biến dạng phụ vì những nguyên nhân sau:

- Do lưỡi cắt của dao bao giờ cũng có một bán kính cong nhất định nên khi bắtđầu cắt, sự tiếp xúc của dao và chi tiết sẽ bắt đầu từ điểm A Dao càng đi sâu vàochi tiết thì điểm có ứng suất lớn nhất càng hạ thấp và khi quá trình cắt đã ổn định thìchiếm vị trí B (nằm ngay trên mặt trượt) Do đó chỉ một lớp kim loại có chiều dày anằm trên đường BC là được cắt thành phoi Lớp kim loại loại nằm dưới đường BCkhông bị cắt mà bị nén, do đó chịu biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo nghĩa là bịcứng nguội

- Sau khi mũi dao đi qua, lớp bề mặt do sự đàn hồi được nâng cao một chiều cao

h, do đó gây ra áp lực pháp tuyến và ma sát với mặt sau của dao Do kết quả của masát nên một lớp mỏng bề mặt lại chịu biến dạng thêm Nếu bán kính cong của daocàng lớn, diện tích tiếp xúc giữa mặt sau của của dao và chi tiết gia công càng tăngthì ma sát càng lớn và mức độ biến dạng của lớp bề mặt càng tăng

Kết quả cứng nguội là các tinh thể kim loại bị nát vụn khiến cho lớp bề mặt trởnên bền và cứng hơn

Những vật liệu khó gia công, có độ dẻo cao thì khi gia công chúng hiện tượngcứng nguội xảy ra với mức độ cao hơn so với thép kết cấu

Ví dụ: Khi gia công thép chịu nóng 437A, chiều sâu cứng nguội lớn hơn 3 lần

so với khi gia công thép 45

Bề mặt được gia công xong nếu như không có khuyết tật gì thì hiện tượng cứngnguội có tác dụng tốt Trong trường hợp ngược lại thì giới hạn bền mỏi của chi tiết

sẽ giảm đi và tuổi thọ của chi tiết sẽ hạ thấp Mặt khác hiện tượng cứng nguội còngây khó khăn cho các nguyên công gia công tinh

Ví dụ: nếu một lỗ sau khi khoan xong cần doa với lượng dư rất bé thì lúc đólưỡi cắt của dao doa phải làm việc trong giới hạn của lớp cứng nguội, vì thế dao doachóng bị mòn và bề mặt gia công không thể đạt được độ bóng cao Ngoài ra lớpcứng nguội thu được khi gia công thô còn làm cho chi tiết bị cong vênh nhiều hơnkhi mang chi tiết đi nhiệt luyện

Tính chất vật liệu gia công, chế độ cắt, hình dạng hình học của dao và các thông

số cắt khác đều ảnh hưởng đến mức độ và chiều sâu cứng nguội theo một quy luậtnhư khi ảnh hưởng đến biến dạng dẻo Khi tăng tốc độ cắt thì mức độ và chiều sâucứng nguội giảm Lượng chạy dao ảnh hưởng đến cứng nguội nhiều hơn là chiềusâu cắt Sự mài mòn của dao có ảnh hưởng lớn nhất đến cứng nguội Dao càng bịmòn thì bán kính cong của lưỡi dao càng tăng, do đó biến dạng dẻo càng tăng khiếncho mức độ và chiều sâu cứng nguội càng lớn

Qua nghiên cứu bằng mô hình nhiệt cắt đồng thời tiến hành thực nghiệm nghiêncứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến chiều sâu lớp biến cứng (lớp trắng) trongtiện cứng của Kenvin Chou và Hui Song kết quả đều cho thấy chiều sâu của lớpbiến cứng phụ thuộc vào bán kính mũi dao

Khi dao còn mới (dao chưa bị mòn), chiều sâu lớp biến cứng giảm khi tăng bánkính mũi dao do chiều dày lớp phoi không được cắt nhỏ Tuy nhiên khi dao bị mònnhiều thì chiều sâu lớp trắng lại tăng theo bán kính mũi dao bởi vì khoảng cách giữalưỡi cắt và bề mặt gia công là nhỏ hơn

* Ứng suất dư trong lớp bề mặt

Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào biếndạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện tượng chuyển pha trong cấu trúckim loại, quá trình này diễn ra phức tạp Ứng suất dư lớp bề mặt được đặc trưng bởitrị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư Trị số và dấu phụ thuộc vào biến dạngđàn hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ và dungdịch 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 bềmặt 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 Lớpkim 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 ứngsuất 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 nguội nhanh và co lại, để cân bằng thì lớp kim loại bên trong phải sinh ra ứngsuất 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 hìnhthành 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 ứngsuất 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 cònvật liệu dẻo thường gây ứng suất dư kéo

Ứng suất nén trong lớp bề mặt làm tăng độ bền mỏi của chi tiết, còn ứng suất dưkéo lại làm giảm độ bền mỏi

Ví dụ: Chi tiết được làm từ thép, khi trên bề mặt có ứng suất dư nén thì độ bềnmỏi có thể tăng lên 50%, còn khi có ứng suất dư kéo thì giảm 30%

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

+ 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 rồiđưa mẫu này lên kiểm tra ở máy đo độ cứng Nguyên lý kiểm tra như sau: dùng đầukim cương tác động lên bề mặt lực P sau đó xác định diện tích bề mặt mẫu do đầukim cương đâm xuống Độ biến cứng được xác định theo công thức:

Hv = P/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 mẫu do đầu kim cương đâm xuống

Để đo chiều sâu biến cứng người ta dùng đầu kim cương tác động lần lượtxuống bề mặt mẫu từ ngoài vào trong Sau mỗi lần tác động lại xác định diện tích bịlún S cho đến khi diện tích S không thay đổi thì dừng lại và đo được chiều sâu biếncứng

+ Đánh giá ứng suất dư Để đánh giá (xác định) ứng suất dư người ta thường sửdụng các phương pháp sau:

Phương pháp tia Rơnghen: dùng tia 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 chophép đo được cả chiều sâu biến cứng Tuy nhiên, phương pháp này rất phức tạp vàtốn nhiều thời gian cho việc điều chỉnh đồ thị Rơnghen (mất khoảng 10 giờ cho mộtlần đo)

Phương pháp tính toán lượng biến dạng: Sau khi hớt từng lớp mỏng kim loạibằng phương pháp hoá học và điện cơ khí ta tính toán khối lượng biến dạng của chitiết mẫu Dựa vào lượng biến dạng này ta xác định được ứng suất dư Cũng có thểdùng 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

2.3.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ

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

Trebưsep đã đưa ra công thức biểu thị mối quan hệ giữa Rz) phụ thuộc vào các yếu tố sau: với S, r và hmin

như sau: