Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến quá trình cắt khi phay thép 60c2 qua tôi bằng dao phay hợp kim cứng phủ PVD

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, tôi lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến quá trình cắt khi phay thép 60C2 qua tôi bằng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-    -

NGUYỄN HỮU HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY THÉP 60C2 QUA TÔI BẰNG DAO PHAY

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Nguyễn Hữu Hải - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, khóa 2011- 2013 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, tôi lựa chọn thực

hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến quá trình cắt khi

phay thép 60C2 qua tôi bằng dao phay hợp kim cứng phủ PVD”

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS Trần Minh Đức

và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong Luận văn

Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2014

Học viên

Nguyễn Hữu Hải

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Trần Minh Đức- Thầy

đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này

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

Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận được những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

Nguyễn Hữu Hải

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

PHẦN MỞ ĐẦU - 1 -

1 Tính cấp thiết của đề tài - 1 -

2 Mục đích và phương pháp nghiên cứu - 2 -

3 Đối tượng nghiên cứu - 3 -

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn - 3 -

5 Nội dung của luận văn - 3 -

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY - 4 -

1.1 Các thông số cơ bản của quá trình cắt - 4 -

1.1.1 Quá trình hình thành phoi - 4 -

1.1.1.1 Khái niệm và phân loại phoi - 4 -

1.1.1.2 Quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo - 5 -

1.1.1.3 Quá trình hình thành phoi khi phay cứng - 5 -

1.2 Lực cắt - 6 -

1.2.1 Cơ sở lý thuyết của lực cắt gọt - 6 -

1.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt - 7 -

1.3 Nhiệt - 9 -

1.3.1 Nhiệt cắt - 9 -

1.3.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt - 12 -

1.4 Khái quát tình hình nghiên cứu về phay cứng - 12 -

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế giới - 12 -

1.4.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam - 12 -

1.5 Kết luận - 13 -

Chương 2 PHAY CỨNG THÉP 60C2 QUA TÔI BẰNG DAO PHAY HKC PHỦ PVD - 14 -

2.1 Đặc điểm quá trình phay cứng thép qua tôi - 14 -

2.2 Các đặc tính cơ bản của thép lò xo - 15 -

2.3 Gia công cắt gọt khi phay - 16 -

2.3.1 Khái niệm chung - 16 -

2.3.2 Phân loại dao phay - 16 -

2.3.3 Vật liệu chế tạo dao phay 17

-2.3.4 Dao phay hợp kim cứng phủ PVD - 17-

2.3.5 Các thông số hình học của dao phay - 18 -

2.3.6 Các yếu tố của lớp cắt - 20 -

2.3.7 Lực cắt khi phay - 22 -

2.3.8 Độ mòn và tuổi bền của dao phay - 23 -

2.4 Ứng dụng của phay cứng thép 60C2 qua tôi và giới hạn vấn đề nghiên cứu - 24 -

2.4.1 Ứng dụng - 24 -

2.4.2 Giới hạn vấn đề nghiên cứu - 24 -

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM - 26 -

3.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - 26 -

3.1.1 Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm - 26 -

3.1.2 Quy hoạch thực nghiệm và mô hình hồi quy thực nghiệm - 27 -

3.2 Giới thiệu hệ thống thực nghiệm - 30 -

3.2.1 Yêu cầu đối với hệ thống thí nghiệm - 30 -

3.2.2 Hệ thống thí nghiệm: - 30 -

3 3 Thiết bị thí nghiệm - 31 -

3.4 Xử lý số liệu thực nghiệm - 34 -

3.4.1.Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm - 34 -

3.4.2 Mục đích thí nghiệm - 35 -

3.4.3 Trình tự tiến hành thí nghiệm: - 35 -

3.4.4 Xử lý số liệu: - 37 -

3.5 Thảo luận kết quả - 41 -

3.6 Kết luận chương 3 - 42 -

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO - 43 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 45 -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a1 Chiều dầy phoi thực tế

a Chiều dầy phoi lý thuyết

R Tổng hợp lực tác dụng lên dao

Ro Lực tổng hợp pháp tuyến

R1 Tổng hợp lực tác dụng lên mặt sau

N Lực pháp tuyến tác dụng lên mặt trước

Fo Lực ma sát của phoi lên mặt trước

N' Lực pháp tuyến tác dụng lên mặt sau

Fo Lực ma sát của phoi lên mặt sau

A1 Công sinh ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

A2 Công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước dao

A3 Công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao

Ps Lực trong mặt phẳng trượt

Q Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cắt

o Độ mòn dao

Thời gian làm việc của dao

ϕ Góc nghiêng chính của dao

Góc sau

D Đường kính dao phay

P Lực vòng

BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các loại phoi - 5 -

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo - 5 -

Hình 1.3 Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do - 6 -

Hình 1.4 Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt - 11 -

Hình 2.1 Các loại dao phay - 17 -

Hình 2.2 Các thông số hình học phần cắt của dao phay mặt đầu - 19 -

Hình 2.3 Sơ đồ cắt phoi của răng dao phay - 20 -

Hình 2.4 Sơ đồ tính góc tiếp xúc - 21 -

Hình 2.5 Sơ đồ xác định chiều dày cắt và diện tích lớp cắt của các răng dao phay khi chúng đồng thời tham gia vào quá trình cắt - 21 -

Hình 2.6 Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao phay trụ - 22 -

Hình 2.7 Các dạng mài mòn của răng dao phay - 23 -

Hình 3.1: Hệ thống thí nghiệm - 31 -

Hình 3.2: Trung tâm gia công VMC - 85S - 32 -

Hình 3.4: Phôi thép lò xo 60C2 - 33 -

Hình 3.5:Bộ thiết bị đầu đo lực kế Kistler 9257BA - 33 -

Hình 3.6: Máy đo nhám SJ-201 - 34 -

Hình 3.7: Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm - 34 -

Hình 3.8:Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa S, n và Ra - 39 -

Hình 3.9:Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa S, n và Fx - 40 -

Hình 3.10:Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa S, n và Fy - 41 -

Hình 3.11:Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa S, n và Fz - 41 -

DANH MỤC BẢNG BIỂU

(Bảng 3.1: Ma trận thực nghiệm 6 điểm) - 35 - (Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm) - 36 -

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ phay cứng đã và đang phát triển đầy tiềm năng với những ưu điểm có thể so sánh (trong nhiều trường hợp có thể thay thế cho mài) với công nghệ mài – một phương pháp gia công tinh lần cuối mang tính truyền thống đối các thép có độ cứng cao Đồng thời trong nhiều trường hợp phay cứng đóng vai trò là nguyên công chuẩn bị cho nguyên công mài nhằm nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công

- Phay cứng có khả năng tạo ra lớp bề mặt có ứng suất dư nén (lớp bề mặt này có tác dụng nâng cao sức bền mỏi của chi tiết máy)

Hơn nữa, thông thường như trước đây những chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun, bánh răng, cam và những chi tiết của hệ thống thủy lực… sau khi nhiệt luyện phải qua công đoạn mài, mài khôn Những công đoạn này thiếu tính linh hoạt và tốn nhiều thời gian Một hạn chế nữa là chi phí cho dung dịch trơn nguội của các công đoạn mài khá cao Những lý do trên làm tăng chi phí cho các công đoạn gia công chính xác Mặt khác chất thải ra khi mài gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công chi tiết

Vì những lý do trên trong gia công lần cuối so với mài, phay cứng ngày càng được các nhà sản xuất yêu thích hơn [14]

Bên cạnh những ưu điểm nổi bật trên thì phay cứng cũng có những hạn chế đó là quá trình gia công trong điều kiện khắc nghiệt (không có dung dịch tưới nguội), lực cắt lớn dẫn đến rung động lớn trong quá trình phay làm ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng bề mặt gia công

Việc áp dụng phay cứng thay cho mài hoặc là bước chuẩn bị cho công đoạn mài đang trở nên khá phổ biến trên thế giới bởi những ưu điểm nổi bật của nó Ở nước ta, phay cứng đã và đang được áp dụng và phát triển khá mạnh, các chi tiết, thiết bị trong các dây truyền công nghệ hiện đại cũng đã được gia công lần cuối bằng phay cứng thay cho mài Đặc biệt đối với trường hợp gia công các loại chi tiết mỏng, dễ cong

vênh như: các loại căn lót chịu mài mòn trong đầu máy tàu hỏa thì việc áp dụng công nghệ phay cứng trước khi mài để nâng cao năng suất, chất lượng cho chi tiết là vấn đề đặt ra cấp thiết hơn bao giờ hết

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến quá trình cắt, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công trong khi phay cứng và phân tích các quá trình vật lý trong phay cứng đã và đang được quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các trường đại học trên thế giới

Chất lượng bề mặt gia công là một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với chi tiết máy vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn cũng như tuổi thọ của chi tiết máy Quá trình tạo lớp bề mặt gia công có chất lượng bằng phương pháp gia công cơ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố công nghệ Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ khí

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng đến quá trình cắt, đến

độ nhám bề mặt khi phay thép 60C2 đã qua tôi và xác định được bộ thông số chế độ cắt hợp lý để đạt chất lượng bề mặt tốt nhất cho quá trình này đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuất

Xuất phát từ lý do nêu trên, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của

chế độ cắt đến quá trình cắt khi phay thép 60C2 qua tôi bằng dao phay hợp kim cứng

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm

3 Đối tượng nghiên cứu

Vật liệu gia công: Thép lò xo 60C2 qua tôi đạt độ cứng: 35 ÷ 38 HRC

Máy công cụ: Trung tâm gia công VMC - 85S - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

Dao: Dao phay mặt đầu gắn mảnh HKC phủ PVD

Phương pháp: Phay tinh mặt phẳng

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

+ Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc nghiên cứu tối ưu hoá quá trình phay cứng

- Ý nghĩa thực tiễn: Sử dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ cắt khi phay

cứng các loại thép đã qua tôi có độ cứng cao tại các cơ sở sản xuất ở Việt Nam để nâng cao độ chính xác, và chất lượng bề mặt chi tiết gia công

5 Nội dung của luận văn

Kết cấu của luận văn bao gồm ba chương và phần kết luận chung:

Chương 1: Tổng quan về gia công cắt gọt khi phay

Chương 2: Phay cứng thép 60C2 qua tôi bằng dao phay hợp kim cứng phủ PVD Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý số liệu

Kết luận chung và thảo luận kết quả

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CẮT GỌT KHI PHAY

1.1 Các thông số cơ bản của quá trình cắt

1.1.1 Quá trình hình thành phoi

1.1.1.1 Khái niệm và phân loại phoi

* Gia công kim loại bằng cắt gọt là một phương pháp gia công kim loại rất phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo máy

Quá trình cắt kim loại là quá trình con người sử dụng các dụng cụ cắt để hớt đi lớp kim loại thừa khỏi chi tiết, nhằm đạt được những yêu cầu cho trước về hình dáng, kích thước, vị trí tương quan giữa các bề mặt và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công

Lớp kim loại thừa trên chi tiết cần hớt bỏ đi được gọi là lượng dư gia công cơ Lớp kim loại đã bị cắt bỏ khỏi chi tiết được gọi là phoi cắt

* Phân loại phoi

- Phoi dây (Hình 1.1a) được hình thành khi gia công vật liệu dẻo với chiều sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt và góc trước lớn [4]

- Phoi xếp lớp (Hình 1.1b) được hình thành khi gia công thép và các vật liệu dẻo khác với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước nhỏ [4]

- Phoi vụn (Hình 1.1c) được hình thành khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn, tốc độ cắt và góc trước nhỏ [4]

Khi gia công các vật liệu giòn (gang) với chiều sâu cắt và góc trước lớn thì phoi vụn (Hình 1.1d) có hình dạng không giống nhau được hình thành

(Hình 1.1 Các loại phoi)

1.1.1.2 Quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo

Khi dao dịch chuyển các phân tử kim loại lúc đầu bị nén đàn hồi (hình 2a), sau

đó bị biến dạng dẻo, quá trình biến dạng dẻo tăng dần cho đến khi bị lực liên kết bên trong của các phân tử chặn lại Ở thời điểm này xảy ra sự xếp lớp của các phần tử phoi và

sự trượt của chúng trên mặt phẳng BC (hình 1.2b) Hiện tượng tương tự cũng xảy ra đối với các phần tử tiếp theo từ 1 5 (hình 1.2c)

(Hình 1.2 Sơ đồ quá trình hình thành phoi khi cắt vật liệu dẻo)

Biến dạng dẻo xảy ra trong vùng được giới hạn bằng góc , góc này được gọi góc tác động Góc 1 gọi là góc trượt, còn mặt phẳng BC gọi là mặt phẳng trượt

Quá trình hình thành phoi trên đây xảy ra khi gia công các vật liệu dẻo với chiều sâu cắt lớn và góc cắt nhỏ

1.1.1.3 Quá trình hình thành phoi khi phay cứng

Đối với quá trình hình thành phoi khi phay cứng cũng có những đặc điểm cơ bản như khi quá trình hình thành phoi khi gia công vật liệu dẻo, tuy nhiên đối với phay cứng do chiều sâu cắt nhỏ, tốc độ cắt lớn nên phoi hình thành trong quá trình phay cứng thường là phoi dây

Biến dạng cắt khi tạo phoi dây là bé nhất Do vậy trong những trường hợp gia công tinh ta cần cố gắng tạo phoi dây bằng cách nâng cao tốc độ cắt

Khi tạo phoi dây, do phoi được hình thành một cách liên tục, do đó dẫn đến lực cắt khá ổn định, ít rung động Do vậy dễ đạt được các chỉ tiêu về độ nhám bề mặt, chất lượng bề mặt cao

1.2 Lực cắt

1.2.1 Cơ sở lý thuyết của lực cắt gọt

Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt chịu tác dụng của các lực Các lực này tác dụng lên phôi và lưỡi cắt Hình 1.3a là sơ đồ lực tác động lên phôi khi cắt tự do

(Hình 1.3 Sơ đồ tác dụng của lực khi cắt tự do)

Mặt trước của dao chịu tác dụng của lực R0, lực R0 là tổng hợp lực pháp tuyến N

và lực ma sát của phoi lên mặt trước F0, có nghĩa là: R0= N + F0 Mặt sau của dao (gần lưỡi cắt) chịu tác dụng của lực pháp tuyến N’ và lực ma sát lên mặt sau của dao F0’ Tổng hai lực N’ và F0’ là R1 Vì góc sau α nhỏ và có độ mòn ở mặt sau của dao, cho nên ta có thể tính lực như trên hình 1.4b, có nghĩa là phương của lực F0’ ngược với phương tốc độ cắt V Để thực hiện được quá trình cắt hoặc để giữ trạng thái cân bằng của dao thì từ ngoài phải có một lực tác dụng lên dao R = R0+ R1

Phân tích lực R tác dụng lên dao ra hai thành phần:

- Thành phần lực Pz theo phương chuyển động chính hoặc theo phương dịch chuyển của dao và ta gọi Pz là lực tiếp tuyến

- Thành phần lực Py theo phương trùng với đường tâm dao và ta gọi Py là lực hướng kính Khi chiếu các lực lên phương của trục y và trục z ta được:

m: số mũ của K (phụ thuộc vào vật liệu gia công).

Ngoài hai thành phần lực Pz và Py còn có thêm thành phần lực Px (lực tác dụng theo phương trục chi tiết)

Tương quan của các thành phần lực này trong điều kiện gia công bình thường có thể được tính như sau [4]:

Px = (0,2 ÷ 0,3)Pz

Py = (0,3 ÷ 0,4)Pz

1.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt

Điều kiện cắt gọt bao gồm nhiều yếu tố như chế độ cắt S, V, t, độ cứng vững của hệ thống công nghệ; có hay không tưới dung dịch trơn nguội vào vùng cắt,…Ở đây ta chỉ khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt

Khảo sát ảnh hưởng của các thông số S, V, t đến lực cắt trong quá trình cắt Sử dụng nguyên lý cộng tác dụng, khi nghiên cứu ảnhs hưởng của một thông số nào đó, trong thí nghiệm ta cho tất cả các yếu tố khác không thay đổi và chỉ cho yếu tố đang

xét thay đổi, sau đó tổng hợp lại ta nhận được ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố xét đến lực cắt

Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt

Vì chiều rộng cắt b = t/sin có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của b đến lực cắt Pv

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi, cho b thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng như trên đồ thị

Từ đồ thị ta nhận thấy rằng khi tăng b thì lực cắt cũng tăng Nếu như cắt với chiều dày cắt atb = 1mm thì lực cắt chính Pv được tính bằng công thức sau:

Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến lực cắt

Vì chiều dày cắt a = s.sin có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của a (qua atb) đến lực cắt Pv

Thực hiện cắt thử nghiệm với các yếu tố khác không đổi với b=1mm, cho a thay đổi các giá trị khác nhau, ta đo được các giá trị lực cắt Pv tương ứng

Bằng cách xử lý các số liệu đo ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa lự cắt và a như sau:

. pv v

góc tách phoi dẫn đến giảm lực cắt đơn vị, mặt khác khi tăng a thì không làm tăng chiều dài làm việc thực tế của lưỡi cắt một cách tuyến tính như khi tăng chiều rộng cắt b

độ cắt v , lực cắt hầu như không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể Do vậy để đơn giản trong công thức tính lực cắt ta thường bỏ qua yếu tố tốc độ cắt

1.3 Nhiệt

1.3.1 Nhiệt cắt

Hiện tượng nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, bởi vì nó ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi, lẹo dao, co rút phoi, lực cắt và cấu trúc lớp bề mặt Ngoài ra, nhiệt cắt còn ảnh hưởng rất lớn đến cường độ mòn và tuổi bền dao [4]

Sự tỏa nhiệt khi cắt là do một công A (kGm) sinh ra trong quá trình hớt phoi Công A được xác định theo công thức: A = A1 + A2 + A3 (1)

Trong đó:

A1: công sinh ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo;

A2: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt trước của dao;

A3: công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau của dao

Mặt khác, công A được tính theo công thức: A = Pz.L

Trong đó:

Pz: lực cắt tác dụng theo phương tốc độ cắt (kG);

L: quãng đường mà dụng cụ đi qua hay chiều dài cắt (m)

Các công thành phần trong công thức (1) có tỉ lệ như sau: A1 = 55%, A2 = 35%, A3 = 10% Nếu lấy quãng đường mà dụng cụ đi qua trong một phút, ta có công thức trong một phút:

F1: lực ma sát ở mặt sau của dao (kG);

VF = V/K: tốc độ chuyển động của phoi ở mặt trước của dao (m/phút);

Nhiệt trong quá trình cắt lan tỏa từ điểm có nhiệt độ cao nhất đến điểm có nhiệt

độ thấp nhất Nhiệt trong quá trình cắt chủ yếu tập trung ở phoi và một phần ở dụng

cụ Nhiệt do ma sát ở mặt trước và mặt sau sẽ tập trung ở mặt trước III và mặt sau IV,

ở phoi II và chi tiết gia công I (hình 1.4) Có một phần nhỏ nhiệt tỏa ra vào môi trường xung quanh

(Hình 1.4 Sơ đồ hình thành và lan tỏa nhiệt)

Khi biết lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt lan tỏa giữa phoi, chi tiết gia công

và dụng cụ, có thể viết phương trình nhiệt như sau:

Q = Q1 + Q2 + Q3 = Qp + Qd + Qc + Qm

Trong đó:

Q1, Q2, Q3: nhiệt ứng với các công ở công thức (1);

Qp, Qd, Qc, Qm: nhiệt ở phoi, ở dụng cụ, ở chi tiết và ở môi trường xung quanh Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi gia công với tốc độ cắt không lớn (30 ÷ 40 m/phút) tỉ lệ nhiệt như sau:

Qp ≈ 60 ÷ 70%; Qd ≈ 3%; Qc ≈30 ÷ 40%; Qm ≈ 1 ÷ 2% Khi tốc độ cắt tăng, tỉ lệ nhiệt vào phoi tăng Ví dụ, khi tốc độ cắt V = 400 ÷ 500 m/phút, nhiệt vào phoi Qp ≈

97 ÷ 98%; Qd ≈ 1% Thực nghiệm cũng đã khẳng định rằng tính dẫn nhiệt của chi tiết gia công càng nhỏ thì nhiệt tỏa vào dụng cụ càng lớn [4]

Khi cắt với tốc độ V = 10 m/phút, nhiệt độ lớn nhất trên mặt trước của dao khoảng 5400C, còn trên khoảng cách 0,2 mm của mặt trước nhiệt độ khoảng 4500

C Khi tốc độ cắt là V = 200 m/phút nhiệt độ ở các nơi tương ứng là 12650C và 4000C [4]

Khi gia công vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, ví dụ hợp kim Titan BT2 thì nhiệt độ vào dao lớn hơn khi gia công các vật liệu thông thường khác Khi nói về nhiệt độ cắt, cần nhớ rằng nó có giá trị không như nhau ở các điểm khác nhau của vùng cắt Ở các điểm khác nhau của bề mặt dụng cụ và phoi có nhiệt độ khác nhau Ngoài ra, tại mỗi điểm nhiệt độ có thể thay đổi theo thời gian Nhiệt độ cao nhất tồn tại ở tâm áp lực của phoi xuống dao và ở lưỡi cắt chính [4]

1.3.2 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt

Dung dịch trơn nguội xâm nhập vào vùng cắt có tác dụng làm mát và tải nhiệt ra khỏi vùng cắt, do đó làm nhiệt độ vùng cắt giảm xuống [4]

1.4 Khái quát tình hình nghiên cứu về phay cứng

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế giới

Việc áp dụng phay cứng thay cho mài hoặc là nguyên công chuyển bị cho mài đang trở nên khá phổ biến trên thế giới bởi những ưu điểm nổi bật của nó, nhất là hiện nay khi vấn đề ô nhiễm môi trường do các loại chất hóa học được sử dụng làm dung dịch tưới nguội cho quá trình mài hoặc phay đang được sự quan tâm đặc biệt của toàn thế giới

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố đến quá trình phay cứng, phân tích các quá trình vật lý trong phay cứng đã và đang được quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các trường đại học trên thế giới

H Ding et al cùng các cộng sự đã nghiên cứu sử dụng hỗ trợ của rung động vào trong gia công phay cứng, được đăng trên tạp chí quốc tế máy công cụ và sản xuất, tháng 12 năm 2010 Còn với S Melkote cùng các cộng sự của ông là M Kumar, F Hashimoto theo cách khác đã nghiên cứu đề tài: “Laser hỗ trợ phay micro (micro milling) để phay các vật liệu cứng, được đăng trên tạp chí CIRP Annals - Manufacturing Technology, năm 2009

1.4.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở nước ta, phay cứng đã và đang được áp dụng và phát triển khá mạnh mẽ Đã có một số công trình nghiên cứu về phay cứng như: Nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công bằng tối ưu hóa một số yếu tố kỹ thuật của quá trình phay tinh

trên máy công cụ CNC, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến mòn

và tuổi bền của dao phay hợp kim cứng phủ TiAlN khi phay thép hợp kim đã qua tôi,

1.5 Kết luận

Chất lượng bề mặt gia công là một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với chi tiết máy vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ bền, độ bền mòn cũng như tuổi thọ của chi tiết máy Quá trình tạo lớp bề mặt gia công có chất lượng bằng phương pháp gia công cơ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố công nghệ Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt khi phay cứng đến quá trình cắt, đến độ nhám bề mặt khi phay thép đã qua tôi và xác định được bộ thông số chế độ cắt hợp lý để đạt chất lượng bề mặt tốt nhất đang là yêu cầu cấp thiết của các nhà sản xuất cơ khí

Chương 2 PHAY CỨNG THÉP 60C2 QUA TÔI BẰNG DAO PHAY HKC PHỦ PVD

2.1 Đặc điểm quá trình phay cứng thép qua tôi

Phay cứng là nguyên công phay các chi tiết đã qua tôi (thường là thép hợp kim)

có độ cứng cao khoảng từ 40 ÷ 65 HRC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, tàu hỏa, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv… phay cứng thường được

sử dụng thay cho nguyên công mài khi gia công chính xác các chi tiết máy, khuôn mẫu

có kích thước nhỏ, các chi tiết có hình dáng phức tạp và đạt năng suất cao

Phay cứng cho độ chính xác và nhám bề mặt tương đương với mài nhưng phay cứng có khả năng tạo nên lớp bề mặt có ứng suất dư nén làm tăng tuổi thọ về mỏi của chi tiết máy trong các tiếp xúc lăn khi sử dụng, cho năng suất cao hơn mài với đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều Phay cứng thường dùng trong nguyên công phay tinh với độ chính xác tương đương nguyên công mài Trong một số trường hợp gia công khuôn mẫu không sử dụng được mài mà chỉ sử dụng phương pháp phay tinh nên các yêu cầu

về độ chính xác, độ cứng vững của hệ thống công nghệ đặt ra rất khắt khe

Khi gia công thép đã tôi, người ta thường gia công khô hoàn toàn Các thông tin đáng tin cậy chỉ ra rằng cắt khô hoàn toàn thép đã tôi khi so sánh với cắt tưới tràn giảm được lực cắt và công suất đặt lên chi tiết của máy công cụ là kết quả của sự tăng nhiệt

độ cắt

Khi phay cứng người ta áp dụng phương pháp phay cao tốc vì khi phay cao tốc, nhiệt lượng phát ra lớn mà thời gian để nhiệt lượng đó tản đi ngắn Cho nên nhiệt độ ở vùng cắt có lúc quá 700 8000c Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ đó, kim loại bị cắt gọt

sẽ mềm đi và trở thành dễ cắt, như vậy tuổi thọ của dao sẽ tăng lên Trong điều kiện này, không phải độ cứng của vật phay hạn chế tuổi thọ của lưỡi cắt và chính là nhiệt

độ của vật phay Ở nhiệt độ này, chủ yếu là lưỡi cắt cần thiết có giữ được tính năng cắt gọt của nó Các loại dao cácbít, dao CBN, dao phủ PVD thích hợp cho trường hợp này

vì nó vẫn duy trì được độ cứng ở nhiệt độ 1000 11000C

Bên cạnh những ưu điểm nổi bật trên thì phay cứng còn có những nhược điểm đánh kể đó là quá trình phay cứng phát ra một lượng nhiệt rất lớn, nóng nhất ở chỗ

phoi tiếp xúc với mặt trước Trong đó, 60 80% nhiệt lượng truyền sang phoi, 10 40% nhiệt lượng truyền vào dao, 3 9% truyền vào vật đang gia công và 1 2,5% tản vào môi trường xung quanh Nhiệt gây ra nhiều tác hại lớn cho gia công cắt gọt, là một trong những nguyên nhân chủ yếu hạn chế năng suất cắt gọt Đối với chi tiết gia công, nhiệt lượng truyền sang đó sẽ được dự trữ để gây tác hại cho dao, mặt khác còn làm giãn nở chi tiết dẫn đến việc đo kiểm khó chính xác Tuy phôi bị nóng mềm hơn nên

dễ cắt gọt hơn, song ảnh hưởng xấu là cơ bản

Vấn đề đặt ra cho các nhà kỹ thuật cơ khí là phải tìm cách nghiên cứu để tận dụng tối đa được những những ưu điểm và hạn chế đến mức tối thiểu các tác động có hại trong quá trình gia công khi thực hiện phay cứng Để đáp ứng được điều này thì việc cần thiết phải nghiên cứu và tìm ra được các thông số chế độ cắt hợp lý đáp ứng một cách hiệu quả nhất cho quá trình cắt, đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm đồng thời năng cao được tuổi thọ của dao phay

2.2 Các đặc tính cơ bản của thép lò xo

Thép lò xo được hiểu là loại thép có khả năng đàn hồi cao, thường được dùng để chế tạo các loại lò xo (spring), đệm vênh (clip, có lắp trong cần khởi động xe máy), căn lót trong các đầu máy tàu hỏa, Khả năng đàn hồi này của thép lò xo ổn định nhất sau khi nhiệt luyện để đạt độ cứng từ 42 ÷ 48 HRC

Thép lò xo có nhiều loại khác nhau Đối với những yêu cầu kỹ thuật không cao, vật liệu sử dụng thường là các mác thép carbon cao (%C > 0.6%, tương đương các mác từ C60 trở lên) Khả năng đàn hồi của các mác thép này chủ yếu được tạo ra nhờ

độ cứng cao sau nhiệt luyện Các mác thường được dùng là S60C ÷S80C(JIS).Một thành phần khác được sử dụng nhiều nhất trong việc chế luyện các loại thép lò xo là Silic (Si) Do những đặc điểm của mình, khi đi vào mạng tinh thể của thép, Si làm xô lệch mạng theo hướng làm tăng khả năng đàn hồi Đại diện cho loại thép hợp kim này

là mác thép 60C2 (GOST), S60CM(JIS), có bổ sung thêm Mo để tăng độ thấm tôi và làm nhỏ hạt khi nung ở nhiệt độ cao)

Trong nhiều trường hợp, thành phần Si được thay thế bằng Mn hoặc các nguyên tố hợp kim khác có tác dụng tương đương (đều có khả năng tạo carbid như

Si, Mn) Đại diện là các mác thép 65G (65Mn - GOST), Y8 (GOST), SK5M (JIS, tên mới là SK85),…

2.3 Gia công cắt gọt khi phay

2.3.1 Khái niệm chung

Phay là phương pháp gia công kim loại được dùng phổ biến từ thế kỷ XIX Từ đó đến nay nó đã trải qua một thời kỳ dài phát triển Phương pháp phay được nhiều học giả quan tâm nghiên cứu

Có thể gia công mặt phẳng, mặt định hình, rãnh then, then hoa, bánh răng bằng dao phay

Trải qua một thời gian dài phát triển, dao phay ngày càng được cải tiến, đã xuất hiện nhiều kiểu khác nhau như: dao phay mặt đầu, dao phay đĩa, dao phay đĩa cắt đứt, dao phay ngón, dao phay góc, dao phay định hình

Nói chung, dao phay là dụng cụ nhiều lưỡi cắt nên quá trình cắt ngoài những đặc điểm của phương pháp tiện, còn có những đặc điểm sau đây:

- Năng suất phay cao hơn bào nhiều lần do có đồng thời nhiều lưỡi cắt

- Lưỡi cắt của dao phay không làm việc liên tục, mặt khác khối lượng thân dao thường lớn nên khả năng truyền nhiệt tốt

- Diện tích cắt khi phay thay đổi do đó lực cắt thay đổi gây rung động trong quá trình cắt

- Khả năng tồn tại lẹo dao ít do lưỡi cắt làm việc gián đoạn gây va đập và rung động

2.3.2 Phân loại dao phay

(Hình 2.1 Các loại dao phay) a- dao phay trụ; b- dao phay đĩa và dao phay rãnh; c- dao phay ngón; d,e- dao

phay mặt đầu; g- dao phay định hình; h- dao phay cắt đứt

Theo khả năng công nghệ:

- Dao phay mặt phẳng

- Dao phay rãnh

- Dao phay định hình

- Dao phay bánh răng và ren

- Dao phay các chi tiết tròn xoay

- Dao phay cắt đứt

Theo đặc điểm cấu tạo:

- Theo phương của răng: dao phay răng thẳng, dao phay răng nghiêng, dao phay răng xoắn

- Theo kết cấu của răng: dao phay răng nhọn, dao phay răng tù (phay hớt lưng)

- Theo kết cấu: dao phay liền, dao phay ghép, dao phay răng chắp, đầu dao lắp ghép

- Theo phương pháp kẹp chặt: dao phay có lỗ, dao phay chuôi trụ hay côn

2.3.3 Vật liệu chế tạo dao phay

Hợp kim cứng thường được sử dụng cho chế tạo dao phay mặt đầu, dao phay có kích thước lớn Ít khi được sử dụng để chế tạo dao phay ngón cắt rãnh

Hợp kim cứng có độ cứng cao, có thể đạt HRA = 86 ÷ 92, chịu nhiệt độ khoảng

10000C, do đó có thể tăng vận tốc cắt lên gấp 2 ÷ 3 lần thép gió Hợp kim cứng được chế tạo từ các bột cácbít vônfram (WC), cácbít titan (TiC), cácbít tantan (TaC), trộn với chất dính kết là bột côban, ép mảnh định hình rồi thiêu kết ở nhiệt độ ở khoảng

20000C để côban chảy ra và liên kết các hạt cácbít lại với nhau Các hợp kim cứng thường dùng là BK, TK, TTK hoặc P01, P10, P20, P30, P40, P50, M10, M20, M30, M40, K01, K10, K20, K30

Theo tiêu chuẩn Nga (ΓOCT) có thể phân thành các loại hợp kim cứng:

2.3.4 Dao phay Hợp kim cứng phủ PVD

Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín khí trơ với áp suất thấp khoảng 10-2bar ở

nhiệt độ từ 400oC-500oC Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ PVD thích hợp cho

các dụng cụ thép gió, thép hợp kim, Do nhiệt độ thấp 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 được 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 điện thế thấp, dòng điện tử có điện thế cao, hồ quang,

và phương pháp phát xạ

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

suất dư trong lớp phủ là ứng suất nén, chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5 m

đẻ tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ

Phủ PVD đã mở rộng phạm vi sử dụng của HKC như các mảnh dao phay hợp

kim cứng phủ PVD trong một số trường hợp tỏ ra tốt hơn dao gắn mảnh các bít Hơn

nữa PVD còn có thể phủ được ở trạng thái không cân bằng nhiệt mà CVD không thể

thực hiện được, như phủ hợp chất kim cương nhân tạo với các hạt các bít siêu nhỏ

WC/C Ưu điểm này của PVD là cơ sở cho việc phủ các lớp bôi trơn cùng với các lớp

phủ 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 lớp giảm

ma sát Điều này mở ra một triển vọng mới về ứng dụng của phủ PVD cho các dụng cụ

ép, dập và các chi tiết máy chính xác

2.3.5 Các thông số hình học của dao phay

Ở dao phay mặt đầu (hình 2.2.) các lưỡi cắt được chế tạo giống như các dao tiện