Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi phay thép SUS 304

Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ xung lý thuyết cơ bản về ảnh hưởng của một số chế độ cắt đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi phay mặt phẳng trê

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO PHOI VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI PHAY THÉP SUS 304

HÀ ĐỨC THUẬN

THÁI NGUYÊN, 2013

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

HÀ ĐỨC THUẬN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO PHOI VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI PHAY THÉP SUS 304

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

LỜI CAM ĐOAN

Với danh dự là một giảng viên đại học tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của tôi Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

HÀ ĐỨC THUẬN

Tôi muốn được cám ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Bộ môn Chế tạo máy, Trung tâm thí nghiệm đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình

Học viên

HÀ ĐỨC THUẬN

MỞ ĐẦU Trang

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục đích của nghiên cứu

3 Đối tượng nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6 Nội dung của luận văn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG VẬT LIỆU THÉP KHÔNG GỈ

1.1 Tổng quan về thép không gỉ và tính gia công của thép không gỉ

1.1.1 Tổng quan về thép không gỉ

1.1.2 Tổng quan về tính gia công của thép không gỉ

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính gia công của vật liêu

1.2.1 Tính chất cơ học của vật liệu

1.3 Tổng quan các nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ

đến tính gia công của thép không gỉ trong và ngoài nước

1.3.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.3.2 Khái quát về tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

1.3.3 Vấn đề nghiên cứu

Chương 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO PHOI

VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG SUS 304

2.1 Bản chất vật lý quá trình tạo phoi

2.2 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi và chất

lượng bề mặt khi gia công

2.2.1 Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt

2.2.2 Ảnh hưởng của chế độ cắt

2.2.3 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội

2.3 Giới hạn nghiên cứu

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA V, S

ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO PHOI VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ

MẶT KHI PHAY MẶT PHẲNG VẬT LIỆU SUS 304

3.1 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi gia công thép SUS 304

3.2 Xây dựng hệ thống thí nghiệm

3.1.1 Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm

3.1.2 Hệ thống thí nghiệm

3.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

3.4 Các bước tiến hành thí nghiệm

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

54

57

DANH MỤC CÁC BẢNG Trang

Bảng 1 Thành phần hóa học vật liệu gia công

Bảng 2 Cơ tính vật liệu gia công

Bảng 3 Đặc trưng vật lý vật liệu gia công

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang

Hình 1.1 Tính gia công tương đối của các loại thép không gỉ thông

dụng và các mác dễ gia công tương đương [1]

Hình 2.1 Các vùng biến dạng dẻo khi cắt kim loại [4]

Hình 2.2 Sơ đồ hóa miền tạo phoi [6]

Hình 2.3 Quan hệ giữa vận tốc cắt và hệ số co rút phoi K [6]

Hình 2.4 Quan hệ giữa tốc độ cắt và chiều cao lẹo dao [6]

Hình 3.1 Mặt ngoài cùng và mặt tiếp xúc với dao của phoi (độ

Hình 3.6 Thiết bị đo nhám Mitutoyo SJ-201

Hình 3.7 Kính hiển vi điện tử quét TESCAN

Hình 3.7 Thiết bị đo lực KISLER 9257BA

Hình 3.9 Ảnh hưởng của các yếu tố đến Ra

Hình 3.16 Đồ thị ảnh hưởng của S, V đến lượng mòn h

Hình 3.17 Cấu trúc tế vi bề mặt (v = 200 m/ph; S = 0.3 mm/răng)

Hình 3.18 Cấu trúc tế vi bề mặt (v = 175 m/ph; S = 0.3 mm/răng)

Hình 3.19 Cấu trúc tế vi bề mặt (v = 125 m/ph; S = 0.3 mm/răng)

Phụ lục 1 Ảnh SEM cấu trúc tế vi bề mặt chi tiết sau gia công

Phụ lục 2 Ảnh SEM mặt trước của dao sau gia công

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thép không gỉ (đặc biệt là SUS 304) được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp hoá chất, đồ gia dụng, công nghiệp tầu thuỷ và gần đây được sử dụng làm khuôn trong ngành y tế [17]

Trong công nghệ khuôn mẫu, việc mài thép không gỉ gặp một số khó khăn: vật liệu dẻo, bền nhiệt gây dính bết, quá trình tạo phoi rất khó khăn, nhiệt cắt sinh ra rất lớn Do đó, xu hướng ngày nay khi gia công thép không gỉ thường sử dụng các phương pháp gia công có lưỡi cắt xác định thay cho mài [1,2,3]

Trong quá trình cắt kim loại, quá trình hình thành và biến dạng của phoi quyết định đến công suất cắt, lực cắt, nhiệt cắt và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và tuổi bền của dụng cụ cắt [5,6,7] Do vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của một số chế độ cắt đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi phay mặt phẳng trên vật liệu SUS 304 là cấp thiết

Xuất phát từ các yêu cầu trên, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi phay thép SUS 304.”

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi xảy ra khi gia công thép SUS 304 từ đó đưa ra các giải pháp công nghệ nhằm nâng cao chất lượng bề mặt sau khi gia công

3 Đối tượng nghiên cứu

Quá trình phay mặt phẳng trên vật liệu SUS 304, sử dụng dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC M1025R08 SANDVIK, bôi trơn tưới tràn dùng dung dịch Emuxil

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

5 Ý nghĩa

1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ xung lý thuyết cơ bản về ảnh hưởng của một số chế độ cắt đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi phay mặt phẳng trên vật liệu SUS 304, trên cơ sở đó có thể ứng dụng trong công nghệ khuôn mẫu

2 Ý nghĩa thực tiễn

Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong gia công khuôn mẫu phụ vụ ngành công nghiệp dược phẩm tại các cơ sở sản xuất ở Việt Nam

6 Nôi dung luận văn

Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính gồm 3 chương và phần kết luận chung

Chương I: Tổng quan về gia công vạt liệu thép không gỉ

Chương này tác giả tông quan về thép không gỉ, tính gia công của thép không gỉ, các nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước về gia công thép không gỉ và định hướng nghiên cứu của đề tài

Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi gia công thép không gỉ

Chương này tác giả nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi gia công thép không

gỉ, giới hạn vấn đề nghiên cứu và đưa ra mô hình nghiên cứu

Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ công nghê đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi phay thép SUS 304

Nghiên cứu thực nghiệm đặc điểm quá trình tạo phoi khi phay SUS 304 Nghiên cứu ảnh hưởng của V, S đến nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt, cấu trúc tế vi bề mặt và lực cắt khi phay SUS 304

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG VẬT LIỆU THÉP KHÔNG RỈ

1.1 Tổng quan về thép không gỉ và tính gia công của thép không gỉ

1.1.1 Tổng quan về thép không gỉ

Thép không gỉ là hợp kim nền thép trong đó %Cr>10.5% Crom tác dụng với Oxy ngoài không khí tạo ra lớp oxit crom mỏng, trong suốt bảo vệ kim loại Các nguyên tố hợp kim khác như Molybden làm tăng khả năng ngăn chặn sự xâm nhập của chlorith Niken nâng cao khả năng bảo vệ trong môi trường axit mạnh [1-3]

Các loại thép không gỉ có thể chia thành 5 họ khác nhau Bốn họ dựa trên tính chất cấu trúc tế vi của các hợp kim trong họ: ferit, mactenxit, austenit hay duplex (austenit cộng ferit) Họ thứ năm, hợp kim tôi nhanh (precipitaton-hardenable), dựa trên loại chế độ xử lý nhiệt được sử dụng hơn là cấu trúc tế vi Thêm vào đó, các loại thép không gỉ có thể chia thành hợp kim khó gia công và

dễ gia công Hợp kim dễ gia công tạo thành một nhóm giới hạn bao gồm một vài hợp kim của năm họ cơ bản

Việc kí hiệu thép không gỉ là việc làm phức tạp bởi sự tăng nhanh của các hệ thống cạnh tranh ở cả Mỹ và nước ngoài Hệ thống kí hiệu được dùng rộng rãi nhất là kí hiệu của AISI Gần đây Unifed Numbering System (UBS) dùng để xác định các loại vật liệu kim loại bao gồm thép không gỉ đã được đưa vào sử dụng Các số UBS kết hợp với các phần số hóa của các định nghĩa AISI

để đơn giản hóa việc nhận dạng.[1-3]

Thép không gỉ được ứng dụng nhiều từ các sản phẩm gia dụng, máy móc đến các thiết bị trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt Các loại thép không

gỉ hiện nay cung cấp một khoảng rộng các tính chất, từ các hợp kim có công thức

đặc biệt có khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt nhất cho đến các loại phù hợp một cách lý tưởng cho gia công hay chế tạo

Thép không gỉ được sử dụng rộng rãi trong thực tế do các lý do chủ yếu sau:

- Khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt Thép không gỉ tùy theo thành phần có khả năng chống mòn đối với điều kiện môi trường axit, ẩm và tác động của nhiệt độ cao hay thấp

- Độ bền cơ học cao Các chi tiết làm bằng thép không gỉ thường là bền

và dẻo dai hơn so với thép cán và kim loại màu kể cả trong môi trường nhiệt độ cao hay hàng trăm độ âm

- Độ bền lâu Sự kết hợp khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học làm cho các sản phẩm có tuổi bền làm việc lâu và ít sai hỏng

- Chi phí bảo dưỡng thấp Khách hàng dân dụng và công nghiệp thích thép không gỉ vì không cần phải phủ lớp bảo vệ hay các xử lý bề mặt đặc biệt khác để tránh sản phẩm xuống cấp

- Hình thức sản phẩm Sản phẩm cho dù được đánh bóng hay chỉ cần gia công lần cuối trên máy tự động đều có thể cho độ bóng và tính ánh kim lâu bền

- Tính linh hoạt trong chế tạo Thép không gỉ có thể cắt gọt, dập nguội, rèn hay hàn bằng các công cụ hay kĩ thuật hiện đại.[1-3]

1.1.2 Tổng quan về tính gia công của thép không gỉ

Tính gia công là một trong những tính chất công nghệ quan trọng của vật liệu Xác định những tính chất của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, chất lượng khi gia công bằng cắt gọt là rất cần thiết

Tính gia công của vật liệu liên quan trực tiếp với thành phần hóa học và cấu trúc của vật liệu, nó còn chịu ảnh hưởng rất lớn, rất phức tạp của tính chất cơ

học, tính nhiệt vật lý Những vấn đề trên lại phụ thuộc vào mạng tinh thể của vật liệu

Tính gia công của vật liệu lại còn phụ thuộc vào vật liệu dụng cụ cắt, kết cấu dụng cụ cắt và điều kiện bôi trơn làm nguội Tính gia công phụ thuộc vào tính chất của phương pháp gia công cụ thể

Một trong những khái niệm về tính gia công thường hay được sử dụng là tính gia công động học và động lực học:

- Tính gia công động học là tính gia công được xác định theo quan điểm

về vận tốc tách bóc vật liệu

- Tính gia công động lực học là tính gia công được xét theo quan điểm lực cắt

Ngoài ra, còn rất

nhiều khái niệm tính gia

công khác nhau như tính

gia công theo quan điểm

công Tuy nhiên, tính gia công bị ảnh hưởng trực tiếp nhiều hơn bởi cấu trúc tế

vi hơn là độ cứng Tính gia công của nhiều loại hợp kim có thể được cải thiện nếu cấu trúc tế vi có dạng hai pha trong đó có một pha giòn hoặc dễ cắt phân bố trên toàn bộ ma trận vật liệu dẻo thứ hai [1]

Hình 1.1 Tính gia công tương đối của các loại thép không gỉ thông dụng và các mác dễ gia công tương đương [1]

Tính gia công tương đối của các loại thép không gỉ thông dụng và các mác dễ gia công tương đương được mô tả trên hình 1.1 Nếu coi tính gia công của mác thép không gỉ dễ gia công AISI 416 là 100% thì tính gia công tốt nhát của thép SUS 304 chỉ đạt từ 50% đến 60% Các loại thép không gỉ được mô tả

có tính dính trong khi cắt, cho thấy xu thế tạo ra phoi dây, tạo ra lẹo dao Điều này dẫn đến giảm tuổi bền dao và giảm chất lượng bề mặt Các đặc tính chung này là do các thuộc tính sau đây: độ bền cao, độ bền uốn lớn, độ dai lớn và rất mềm, tốc độ tôi cao, độ dẫn nhiệt thấp.[1-3]

Các hợp kim ferit và mactenxit, các hợp kim dễ gia công ferit và các

hợp kim mactenxit ủ, hàm lượng cacbon thấp là các loại dễ gia công nhất trong thép không gỉ Các hợp kim ferit thường có hàm lượng Cr thấp và các hợp kim mactenxit ủ có lượng cacbon thấp chỉ có Cr thường là dễ gia công hơn so với phần lớn các loại thép hợp kim bình thường Các hợp kim ferit có hàm lượng Cr cao hơn được coi là khó gia công hơn so với các thép hợp kim có hàm lượng Cr thấp hơn vì tính dính và tạo phoi dài khi cắt

Ngoài việc không có phụ gia tạo ra các mác dễ gia công, tính gia công của các loại thép không gỉ mactenxit bị ảnh hưởng bởi các biến sau:

khoan ) trong những giới hạn nhất định Tuy nhiên chất lượng bề mặt có thể được nâng cao bằng cách gia công các loại vật liệu cứng hơn

Trong các mác mactenxit, tính gia công giảm đi khi hàm lượng cacbon tăng dần trong các mác từ S41000, S42000 tới S44004 hay từ S41600/S4123, S42020/S42023 tới S44020/S44023

Hàm lượng Ni cũng ảnh hưởng đến tính gia công thông qua hiện tượng làm tăng độ cứng thép ủ Kết quả là thép S42400 và 43100 sẽ khó gia công hơn S41000 trong điều kiện ủ

Thay đổi trong cân bằng pha được dùng để tăng tính gia công của thép S41600 Người ta thường thấy rằng việc tăng ferit tự do hay ferit δ làm tăng tính gia công, bao gồm tuổi bền của dao và chất lượng bề mặt Việc tạo ra tỉ lệ ferit cao hơn cũng làm giảm độ cứng.[1]

Hợp kim austenit Tính khó gia công của thép không gỉ austenit có đặc

điểm riêng khi so sánh với các loại thép không gỉ nói chung So với các loại thép không gỉ ferit và mactenxit, các hợp kim austenit có tỷ lệ biến cứng nguội cao hơn, độ bền uốn và độ bền kéo lớn, độ dẻo dai cao hơn Khi gia công thép không

gỉ austenit, đặc biệt là thép không gỉ tiêu chuẩn, có một vài đặc điểm sau:

+ Dao nóng hơn và có xu hướng tạo lẹo dao lớn hơn

+ Phoi có dạng dây và có xu hướng cuốn thành búi, làm cho quá trình loại bỏ chúng khó khăn

+ Rung động dễ xảy ra hơn nếu độ cứng vững của hệ thống công nghệ không đảm bảo hay bị quá giới hạn

+ Bề mặt gia công bị biến cứng và khó gia công nếu quá trình cắt bị dừng hay bước tiến quá nhỏ

Với các đặc điểm trên, chú ý chung cho gia công thép không gỉ cần đặc biệt quan trọng đối với các hợp kim austenit

Hiện tượng biến cứng vừa phải được cho là có lợi với các tính chất cắt gọt của thép không gỉ austenit Biến cứng nguội sẽ làm giảm tính dẻo của vật liệu, làm phoi sạch hơn và hạn chế xu hướng tạo lẹo dao Đều này tạo ra chất lượng bề mặt tốt hơn nhưng phần nào đó làm giảm tuổi bền của dao do độ cứng vật liệu gia công tăng cao

Chất lượng bề mặt có thể được nâng cao bằng tăng mức độ biến cứng ở hợp kim bình thường (S30400, S31600) Xu hướng giảm rung động của dao khi tăng mức độ biến cứng đã được nhận thấy đối với cách này.[1-3]

Việc thêm Mn hay Cu có thể tăng tính gia công và giảm tỷ lệ biến cứng của thép không gỉ austenit có tỷ lệ hợp kim thấp Các hợp kim dễ gia công austenit có Mn và/hoặc Cu bao gồm các mác S20300, S30310, S30330 và S30431 Mặc dù tỷ lệ hợp kim cao hơn sẽ làm giảm tỷ lệ biến cứng nguội, các thép không gỉ austenit hợp kim cao như S30900, S31000 và N08020 có xu hướng khó gia công

Cacbon và Nito có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ biến cứng và độ cứng của thép không gỉ austenit Hàm lượng của một hay cả hai nguyên tố cao sẽ làm

giảm tính gia công Do đó, các hợp kim austenit có hàm lượng N cao như

S20910 và 28200 khó gia công hơn so với hợp kim austenit tiêu chuẩn có hàm lượng N thấp hơn

Các nguyên tố tạo ra các-bít và nitrit mạnh bao gồm Ti và Niobi được dùng trong các mác thép không gỉ như S32100 và S34700 để ngăn cản quá trình các-bít hóa biên giới hạt có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn biên giới hạt

Tuy nhiên, các tạp chất dạng các-bít và nitrit có tính mài mòn cao sẽ làm tăng tốc

độ mòn của dao

Hợp kim duplex (S32950) có độ cứng gần bằng so với hợp kim austenit

có hàm lượng N cao (S20910), nhưng có tính gia công cao hơn Tuy vậy, tính gia công không giống như hợp kim tiêu chuẩn hay loại có tính gia công được nâng cao

Các loại hợp kim duplex có hàm lượng N cao được xác định là gia công giống như loại S32950 Hiện nay, trên thị trường không có các mác hợp kim có tính gia công được nâng cao

Tính gia công các hợp kim tôi nhanh phụ thuộc vào loại hợp kim và độ

cứng Thép không gỉ mactenxit tôi nhanh thường được gia công trong điều kiện

xử lý nhiệt Do đó, chỉ cần một giai đoạn hóa già sau đó là có thể đạt độ bền như mong muốn của sản phẩm Trong điều kiện này, độ cứng tương đối cao hạn chế tính gia công của phôi Phần lớn các hợp kim loại này có độ khó gia công gần giống nhau hoặc phần nào đó khó khăn hơn hợp kim austenit tiêu chuẩn như S30400

Các thép không gỉ mactenxit tôi nhanh cũng có thể gia công ở điều kiện

đã tôi do đó có thể tránh phải xử lý nhiệt sau gia công và đảm bảo độ chính xác gia công cao hơn Mức độ dễ dàng khi gia công thường thay đổi theo độ cứng hay điều kiện xử lý nhiệt

Trong điều kiện ủ và có cấu trúc austenit, các hợp kim bán austenit có thể có khó khăn khi gia công, ở mức độ nào đó khó gia công hơn hợp kim S30200 và các loại tương tự, do có tỷ lệ biến cứng cao Các hợp kim S35000 và S35500 có thể được cung cấp với cấu trúc cân bằng, cấu trúc có tính gia công tốt

Còn các hợp kim tôi nhanh mactenxit có mức độ khó khăn gia công tăng theo độ cứng sau khi hóa già.[1]

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính gia công

1.2.1 Tính chất cơ học của vật liệu

Vật liệu có độ bền, độ cứng càng cao thì ảnh hưởng không tót của nó đến quá trình gia công là rất lớn Vì vậy, tính gia công sẽ tỷ lệ nghịch với tính chất cơ

lý của vật liệu gia công

Khi gia công, độ cứng thường được dùng như phép đo tương đối của tính gia công, vật liệu càng cứng thì tính gia công càng kém Tuy nhiên, thép với thành phần cacbon thấp dẻo hơn và có xu hướng hình thành lẹo dao với tính gia công thấp hơn là dự đoán Ảnh hưởng của cơ lý tính vật liệu đến tính gia công của vật liệu chế tạo máy là rất lớn, đôi khi nó quyết định đến tính gia công của vật liệu.[7]

Đánh giá biến dạng phoi dùng hệ số co giãn phoi:

- Hệ số co giãn phoi theo chiều dọc:

KL=L0/Lf

Trong đó:

L0 chiều dài lớp kim loại bị cắt đo trên phôi

Lf Chiều dài thực tế của phoi

KL Hệ số co giãn phôi theo chiều dọc

- Hệ số co giãn phoi theo chiều dầy:

Ka=af/a Trong đó:

af chiều dầy của phoi

a chiều dầy lớp cắt kim loại được cắt trên phôi

Ka Hệ số co giãn phoi theo chiều dầy

- Hệ số co giãn phoi theo chiều rộng

Kb=bf/b Trong đó:

bf chiều rộng của phoi

b chiều rộng lớp cắt kim loại được cắt trên phôi

Kb Hệ số co giãn phoi theo chiều rộng

Hệ số co giãn phoi biểu thị mức độ biến dạng trung bình của phoi Căn

cứ vào hệ số co giãn, có thể tìm ra các quan hệ ảnh hưởng giữa các yếu tố khi cắt với quá trình biến dạng khi cắt.[6-7]

1.2.3 Lực cắt

Trong quá trình cắt, dưới tác dụng của dao, kim loại gia công bị biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Cùng một lúc, khi biến dạng lớp cắt, dao chịu tác dụng lên mặt trước và mặt sau các lực tương ứng Đây là một trong những chỉ tiêu để đánh giá tính gia công từ quan điểm lực cắt

Lực cắt chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như tốc độ cắt, vật liệu gia công, vật liệu làm dao

Tính gia công phụ thuộc rất nhiều vào lực cắt Lực cắt lớn thì tính gia công sẽ thấp và ngược lại Đánh giá theo quan điểm lực cắt là vật liệu cắt với lực cắt nhỏ thì tính gia công tốt trong cùng điều kiện: phương pháp gia công, dao, chế độ cắt, điều kiện cắt.[7]

1.2.4 Nhiệt cắt

Nguồn nhiệt phát sinh trong quá trình cắt là do công tiêu hao để lại như: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo lớp bị cắt và lớp tiếp xúc giữa bề mặt đã gia công với dao, hay để khắc phục ma sát trên mặt trước của dao với phoi và mặt sau của dao với phôi

Đánh giá tính gia công theo quan điểm nhiệt cắt là cắt vật liệu gia công với nhiệt cắt càng nhỏ thì tính gia công của vật liệu càng tốt, nhiệt cắt là hệ quả của lực cắt Khảo sát ảnh hưởng của tính gia công vật liệu theo nhiệt cắt cũng như với lực cắt.[7]

1.2.5 Mòn và tuổi bền dụng cụ

Trong quá trinh cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển động tiếp xúc với mặt sau của dao gây lên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ Mài mòn dụng cụ cắt là hiện tượng phức tạp xảy ra theo các hiện tượng lý hóa ở các

bề mặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công Khi mài mòn, dạng và thông số hình học của phần cắt dụng cụ cắt thay đổi gây nên các hiện tượng vật

lý sinh ra trong quá trình cắt (nhiệt cắt, lực cắt ) và ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công Trong quá trình cắt, áp lực lên bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với áp lực làm việc của chi tiết máy và dụng cụ bị mài mòn theo nhiều dạng khác nhau như mòn theo mặt sau, mòn theo mặt trước [7]

Đánh giá tính gia công của vật liệu theo quan điểm độ mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt có nghĩa là xem xét ảnh hưởng của vật liệu gia công tới mòn và

tuổi bền của dụng cụ cắt Vật liệu khi cắt cho tuổi bền của dao thấp thì tính gia công thấp và ngược lại.[7]

+ Ảnh hưởng đến độ lớn của miền tạo phoi và biến dạng trong miền tạo phoi

+ Ảnh hưởng đến nhiệt độ của vật liệu biến dạng

+ Xác định vận tốc tải trọng vật liệu của chi tiết gia công

+ Ảnh hưởng đến độ lớn hệ số ma sát trên mặt trước, mặt sau và sự xuất hiện cũng như độ lớn của lẹo dao.[7]

1.2.7 Chất lượng bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt gia công như một tiêu chí đánh giá tính gia công của vật liệu Chất lượng bề mặt càng tốt thì vật liệu càng dễ gia công Trong thực tế, chất lượng bề mặt của chi tiết máy có ý nghĩa quan trọng để dảm bảo tuổi thọ của chúng

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt bao gồm:

+ Độ nhám bề mặt hay còn gọi là độ nhấp nhô tế vi

+ Độ sóng bề mặt

+ Độ cứng tế vi hay cấu trúc tế vi lớp bề mặt

+ Ứng suất dư bề mặt

Đánh giá tính gia công theo chất lượng bề mặt thường được sử dụng khi gia công tinh [7]

1.2.8 Độ chính xác gia công

Độ chính xác gia công là mức độ đạt được khi gia công các chi tiết thực

so với độ chính xác thiết kế đề ra Trong thực tế, độ chính xác gia công thường được biểu hiện bằng sai lệch về kích thước và sai lệch về hình dáng Sai lệch gia công càng lớn tức là độ chính xác gia công càng kém

Trong quá trình gia công bằng bất kì phương pháp nào đều phải dựa vào hình dáng và kích thước đã thiết kế Trong thực tế, khó có thể đạt được yêu cầu

lý tưởng Hình dáng kích thước thực so với yêu cầu thiết kế có những sai lệch nhất định, do vậy người ta đánh giá tính gia công trên quan điểm độ chính xác gia công thông qua sai số của quá trình gia công.[7]

1.3 Tổng quan các nguyên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến tính gia công của thép không gỉ trong và ngoài nước

1.3.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới

E Kuram và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng một số loại dầu thực vật (VBCFs) khi phay thép không gỉ AISI 8640 bằng dụng cụ cắt ceramic đến lực cắt, nhám bề mặt và mòn dụng cụ cắt Kết quả thấy rằng, dầu thực vật thêm

phụ gia tăng áp SCF II 8%EP (Sunflower cutting fluid) và CCF 8%EP (Canola cutting fluid) mang lại hiệu quả hơn hẳn so với dung dịch trơn nguội emuxil.[8]

Nikhil Ranjan Dhar và các công sự nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm nguội tối thiểu (MQL) đến mòn dao, nhám bề mặt, độ chính xác kích thước khi tiện thép AISI 4340 sử dụng mảnh dao ISO P30 Kết quả cho thấy MQL mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc giảm nhiệt độ tại vùng tiếp xúc dao – phoi và đặc biệt có hiệu quả với vận tốc cắt và lượng chạy dao thấp MQL giảm

được đáng kể độ mòn lưỡi cắt và giá trị nhám bề mặt so với khi cắt khô và tưới tràn.[9-10]

R.A.Mahdavinejad and Saeedy đã nghiên cứu ảnh hưởng của chế đô công nghệ đến lượng mòn dao, nhám bề mặt khi tiện thép SUS 304, dụng cụ cắt phủ TiC Kết quả cho thấy, lượng mòn của dao chịu ảnh hưởng rất lớn của vận tốc cắt, lượng mòn của dao giảm khi tăng vận tốc cắt Nguyên nhân chính dẫn đến mòn dao là do sự truyền nhiệt kém hiệu quả của SUS 304, hình dáng và kích thước của phoi Nhám bề mặt chịu ảnh hưởng rất lớn của lượng chạy dao, do vậy nhám bề mặt có thể được cải thiện khi giảm lượng chạy dao và tăng tốc độ cắt Ở vận tốc cắt cao và lượng chạy dao nhỏ, khối lẹo dao giảm làm lực cắt và rung động giảm Tác giả cũng khẳng định, bôi trơn theo phương pháp tưới tràn hiệu quả hơn so với gia công khô.[12]

Ihsan Korkut, Ulvi Seker đã nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhám bề mặt và lượng mòn dao khi tiện thép không gỉ sử dụng vật liệu dụng cụ cắt là ceramic trong điều kiện cắt khô Tác giả xác định rằng, vận tốc cắt tối ưu đồng thời cho hai chỉ tiêu trên là 180 m/ph.[13]

K.A Abou – El – Hossein và các cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng mảnh dao có thông số hình học được cải tiến để gia công thép không gỉ SUS 304 Kết quả đã nâng cao rõ rệt tuổi bền của mảnh dao [17]

Lớp phủ TiN trên thép gió và HKC cac-bit Vonfram rất có hiệu quả trong kéo dài tuổi bền dao khi gia công thép không gỉ Lớp phủ TiN có hệ số ma sát thấp và chịu mài mòn thấp và chịu mài mòn tốt ở nhiệt độ cao, điều này giúp

nó đặc biệt có hiệu quả khi dùng gia công ở tốc độ trung bình Lớp phủ TiCN có hiệu quả hơn TiN trên dụng cụ cắt trong gia công thép không gỉ mactenxit Lớp phủ TiCN có độ cứng và độ dai cao hơn lớp phủ TiN Các lớp phủ nhiều lớp bởi

các lớp vật liệu khác nhau có kích thước cực mỏng (50/1.000.000 in) tạo ra ít hư hỏng bên trong, nâng cao khả năng làm việc dựa trên các tính chất kết hợp của mỗi lớp phủ Phủ bằng TiAlN nâng cao nhiệt độ oxy hóa của lớp bề mặt được phủ nhiều lớp làm nó phủ hợp với các quá trình gia công ở tốc độ cao Sự kết hợp của các loại lớp phủ này được tích hợp để nâng cao hiệu quả - chi phí trong gia công thép không gỉ.[1]

Qua các nghiên cứu kể trên, các tác giả đã đánh giá được ảnh hưởng của một số yếu tố như chế độ bôi trơn, vật liệu dụng cụ cắt, chế độ cắt đến các chỉ tiêu tính gia công của vật liệu thép không gỉ Tuy nhiên, các nghiên cứu kể trên cũng có các hạn chế sau:

- Việc xác định chế độ cắt tối ưu ứng với từng điều kiện gia công cụ thể

- Chưa xác định rõ ảnh hưởng của chế độ cắt đến sự thay đổi cấu trúc tế

vi bề mặt

1.3.2 Khái quát về tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, việc xác định chế độ cắt khi gia công thép không gỉ được nghiên cứu trong vài năm trở lại đây

Một số các nghiên cứu đã công bố như xác định chế độ cắt tối ưu theo chỉ tiêu nhám bề mặt khi mài tròn ngoài thép không gỉ SUS 304 dùng đá mài Hải Dương [19], nghiên cứu một số biện pháp công nghệ nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi mài tinh thép không gỉ [20], nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt với tuổi bền dụng cụ phủ TiAlN khi tiện tinh thép không gỉ SUS 201.[21]

Trong thực tế sản xuất, gần đây thép không gỉ (đặc biệt là SUS 304) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp khuôn mẫu đặc biệt là trong nghành y

tế Như Công ty TNHH ĐH KTCN hằng năm sản xuất rất nhiều khuôn dập thuốc

cho các công ty dược phẩm như: Công ty dược phẩm Hà Tây, Công ty dược phẩm Sao Kim, công ty dược phẩm Hà Tĩnh Tuy nhiên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các biện pháp công nghệ đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi gia công thép không gỉ nói chung và SUS 304 nói riêng còn rất nhiều hạn chế

1.3.3 Vấn đề nghiên cứu

Từ nhu cầu sản xuất thực tế và những hạn chế của các đề tài nghiên cứu trước đây, tác giả nhận thấy cần có nghiên cứu cụ thể về gia công SUS 304 sử dụng dụng cụ cắt có lưỡi cắt xác định

Đối với các chi tiết khuôn mẫu, chất lượng bề mặt (nhám bề mặt và cấu trúc tế vi lớp bề mặt) ảnh hưởng rất lớn đến tính năng sử dụng của chúng Ngoài

ra, yếu tố lực cắt và mòn dao ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác gia công và chi phí gia công sản phẩm

Xuất phát từ các yêu cầu trên, tác giả đã lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến quá trình tạo phoi

và chất lượng bề mặt khi phay SUS 304”

Kết luận chương I:

- Khái quát về thép không gỉ và tính gia công của loại vật liệu này

- Tổng quan về các nghiên cứu đã công bố ở trong và ngoài nước về các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao tính gia công của thép không gi và xác định được vấn đề cần nghiên cứu của đề tài

Chương 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO PHOI

VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG SUS 304

2.1 Bản chất vật lý quá trình tạo phoi

Cắt kim loại là quá trình sản xuất mà trong đó một chi tiết kim loại được tạo thành bằng cách lấy đi phần vật liệu không cần thiết Phần vật liệu không cần thiết được gọi là phoi được lấy đi nhờ biến dạng dẻo đến kích thước xác định bằng một dụng cụ có lưỡi cắt sắc

Phoi là sản phẩm không có giá trị tiêu thụ trong quá trình cắt kim loại nhưng cơ chế hình thành phoi lại quyết định nhiều đến các thông số khác như năng lượng tiêu thụ, nhiệt cắt, lực cắt có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công và tuổi bền của dụng cụ cắt Vì vậy, việc nghiên cứu quá trình tạo phoi

sẽ cung cấp các hình ảnh lý tính để sử dụng cho các mô hình mô tả định lượng của lực cắt và nhiệt cắt trong quá trình cắt kim loại.[4-6]

Mặc dù quá trình tạo

phoi có thể rất đa dạng nhưng

luôn tồn tại ba vùng tính chất của

biến dạng dẻo có thể phân biệt

rất rõ Cơ chế biến dạng chủ yếu

trong vùng này là biến dạng trượt

nên các vùng này thường được

gọi là vùng trượt cơ sở (primary

shear), vùng trượt thứ hai

(secondary shear) và vùng trượt

thứ ba (teriary)

Hình 2.1 Các vùng biến dạng dẻo khi cắt kim loại [4]

Vùng trượt cơ sở là vùng hẹp và dễ nhận biết nhất Trong phần này vật

liệu phôi được bẻ cong theo hướng bề mặt dụng cụ và sẽ hình thành phoi Trong

vùng này xảy ra biến dạng lớn nhưng nhiệt độ lại không cao khoảng trên 3000C

Vùng trượt thứ hai và vùng trượt thứ ba là vùng không mong muốn và

tồn tại đơn thuần là lỗi của dụng cụ cắt do không bao giờ không có ma sát và sắc

tuyệt đối Ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa dao và phoi gây ra biến dạng ở mặt

sau của phoi tạo ra vùng trượt thứ hai Vùng trượt thứ hai hẹp giống như vùng

trượt cơ sở, nhỏ hơn 10% chiều dày phoi và chứa đựng các biến dạng rất lớn

Thực tế trong vùng này biến dạng có thể lớn gấp 10 lần và nhiệt độ rất cao có thể

làm nóng chảy vật liệu của phôi Trong vùng này, ở phần tiếp xúc ban đầu giữa

vật liệu nguyên bản của phoi và bề mặt của dụng cụ cắt, ma sát lớn dẫn đến phoi

bị bám chặt vào bề mặt của dụng cụ, do vậy vùng này gọi là vùng dính (sticking

zone) và các biến dạng chủ yếu diễn ra ở đây Ở phần thứ hai của vùng trượt thứ hai gọi là vùng trượt (slide zone) Tại vùng trượt, phoi bắt đầu trượt dọc theo bề

mặt dụng cụ cho đến khi rời khỏi bề mặt dao

Vùng trượt thứ ba là kết quả do tồn tại bán kính lưỡi cắt và lẹo dao Vì

vậy tạo ra sự mâu thuẫn với những điều trong thiết kế, trong quá trình cắt kim

loại, phoi tạo ra do quá trình cày xới hơn là quá trình cắt Vì vật liệu phôi dính

vào lưỡi cắt của dụng cụ nên vùng trượt thứ ba có thể xem như là sự mở rộng

của vùng trượt thứ hai.[4-6]

2.2 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi và chất lượng bề mặt khi gia công

2.2.1 Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt

Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt đến quá trình tạo phoi và chất lượng

bề mặt khi gia công được xét qua quan hệ giữa cơ lý tính của vật liệu gia công và tính cắt của vật liệu làm dao Tính cắt của vật liệu làm dao phải đảm bảo các yêu cầu: độ cứng, độ bền cơ học, tính chịu nhiệt, tính chịu mòn và tính công nghệ.[7]

Do có độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai lớn, nên khi gia công thép không

gỉ thường bị dính trong khi cắt, có xu hướng hình thành phoi dài, dạng dây, lực cắt đơn vị thường lớn hơn so với khi gia công thép cacbon Khi gia công thép không gỉ, ứng suất phức tạp trong vùng biến dạng và lực ma sát làm tăng nhiệt

độ của dụng cụ cắt trên mặt trước Các điều kiện ma sát và tính chất dẫn nhiệt của phôi thép không gỉ và dụng cụ cắt đều ảnh hưởng đến sự tham gia của nhiệt trong vùng tiếp xúc phôi-dao-phoi Một dụng cụ cắt với độ dẫn nhiệt thấp sẽ tập trung nhiệt tại vùng tiếp xúc hay vùng cắt thứ hai Nhiệt độ cao với áp suất đẩy mạnh xói mòn hóa học với lớp phủ dao và nền Mòn do khuếch tán trở thành cơ chế mòn chính hơn là mòn mặt sau.[1-3]

Từ những đặc điểm kể trên, khi gia công thép không gỉ, vật liệu dụng cụ cắt thường dùng là hợp kim cứng (HKC) do đảm bảo độ bền nhiệt cao, tính dẫn nhiệt cao, độ bền mòn ở nhiệt độ cao HKC được chia thành ba nhóm: nhóm một các bít (BK), nhóm hai cát bít (TK) và nhóm ba cát bít (TTK) Nhóm BK có độ dẻo dai hơn so với hai nhóm còn lại, vì vậy nhóm BK phù hợp khi gia công các loại vật liệu giòn có xu hướng tạo phoi dây như gang, hợp kim màu, phi kim Nhóm TK có độ cứng nóng cao, hệ số ma sát với thép chưa tôi nhỏ, tính hàn dính yếu nên HKC nhóm TK thường được dùng gia công thép chưa tôi Nhóm