Nghiên cứu thực nghiệm mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi

Các chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun và những chi tiết của hệ thống thuỷ lực,... sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

Bộ giáo dục và đào tạo

Đại học thái nguyên

Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp

-trần ngọc giang

Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao gắn mảnh PCbn theo chế độ cắt khi

tiện thép 9xc qua tôi

Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế

-Thày hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn tậntình của thày trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu tham khảo cũng nhưnhững chỉ bảo trong quá trình tôi làm thực nghiệm và viết luận văn

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn tới khoa Sau đại học, khoa Cơ khí, Bộ môn

Cơ học vật liệu, lãnh đạo Trung tâm thí nghiệm đã ủng hộ về tinh thần và tạođiều kiện cho tôi về thời gian để tôi có thể hoàn thành bản luận văn của mình.Tôi xin cảm ơn thày giáo TS Nguyễn Văn Hùng, ThS Lê Viết Bảo về sựtạo điều kiện hết sức thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này.Tôi cũng muốn cảm ơn tới ông Trưởn g phòng kỹ thuật, các cán bộ,nhân viên phòng kế hoạch và Xưởng cơ khí Nhà máy Z159 - Thái Nguyên,các cán bộ phụ trách Phòng thí nghiệm Quang phổ, khoa vật lý trường ĐHSP Thái Nguyên, Pòhng thí nghệi m Kim loại học, đại học Bách khoa

Hà Nội đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi hoàn thànhnghiên cứu của mình

Cho tôi được gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, nhân viên Xưởng Cơ khí nơitôi tiến hành thực nghiệm

Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy côgiáo, người thân, các bạn bè đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trongsuốt thời gian thực hiện luận văn này

Tác giả

Trần Ngọc Giang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

Lời nói đầu

MỤC LỤC

Trang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Danh mục các bảng biểu

2.1 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 62.2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 6

Bản chất vật lý của quá trình cắt thép có độ cứng cao

1.2.1 Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt 121.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện 14

Chất lượng bề mặt khi tiện cứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

2.4.2.3 Đánh giá mức độ, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư 392.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng 402.5.1 Ảnh hưởng của các thông số hình học dụng cụ cắt 40

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

3.1.3.3 Các chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt 54

Nghiên cứu thực nghiệm mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của

dao gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

4.4 Thí nghi ệm xác định quan hệ mòn của mảnh dao theo chế độ cắt 68

dao

71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ap: chiều dày phoi

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

Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao

Kf: mức độ biến dạng của phoi

θ: góc trượt

γ (hhay γn) góc trước của dao

Pz (hhay Pc): lực tiếp tuyến khi tiện

Py (hhay Pp): lực hướng kính khi tiện

Px: lực chiều trục khi tiện

S: lượng chạy dao (hmm/vòng)

t: chiều sâu cắt (hmm)

V: vận tốc cắt (hm/phút)

Q: là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt

QAB = Q1: nhiệt sinh ra trên mặt phẳng trượt

QAC = Q2: nhiệt sinh ra trên mặt trước

QAD = Q2: nhiệt sinh ra trên mặt sau

Qphoi: nhiệt truyền vào phoi

Qdao: nhiệt truyền vào dao

Qphôi: nhiệt truyền vào phôi

Qmôi trường: nhiệt truyền vào môi trường

kAB: ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất

AS: diện tích của mặt phẳng cắt

VS: vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng cắt

kt: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

β: hệ số phân bố nhiệt từ mặt phẳng trượt vào phôi và phoi

c: nhiệt dung riêng

ρ: tỷ trọng của vật liệu

RT: hệ số nhiệt khi cắt

Φ: góc tạo phoi

γ mt: tốc độ biến dạng của các lớp phoi gần mặt trước

δt: chiều dày của vùng biến dạng thứ hai

K: hệ số thẩm nhiệt

∆Fc, ∆Ft: áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến trền vùng mòn mặt sau

Fcf, Ftf: lực cắt tiếp tuyến và pháp tuyến đo khi mòn dao

VBave: chiều cao trung bình của vùng mòn mặt sau

τf: ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt sau

S: diện tích bề mặt đầu đo kim cương ấn xuống (hmm2)

P: lực tác dụng của đầu kim cương (hN)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

T: thời gian cắt – tuổi bền của dụng cụ cắt (hphút)

ti: thời gian cắt cơ bản

p: số các yếu tố thay đổi

Ra, Rz: độ nhám bề mặt khi tiện

n: số lần mài lại cho phép

VLGC: vật liệu gia công

VLDC: vật liệu dụng cụ

HKC: hợp kim cứng

xi: các ký hiệu mã hoá

N: số thí nghiệm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình vẽ 1.1 Máy và quá trình cắt khô trong tiện cứng

Trang2

Hình vẽ 1.2 Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng 3

Hình vẽ 1.5 Miền tạo phoi ứng với tốc độ cắt khác nhau 11

Hình vẽ 1.9 Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt 16

(hb) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại

Hình vẽ 1.11 Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi 20trường phụ thuộc vào vận tốc cắt

Hình vẽ 1.12 Đường cong thực nghiệm của Boothroyd để xác 21định tỷ lệ nhiệt (hβ) truyền vào phôi

Hình vẽ 1.13 Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn 23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

Hình vẽ 2.6 Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới 41 nhám bề mặt khi gia công thép

Hình vẽ 2.7 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia 41công thép

Hình vẽ 2.8 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 43

Hình vẽ 3.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn khi cắt 48liên tục (ha) và khi cắt gián đoạn (hb)

Hình vẽ 3.2 Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện 51

Hình vẽ 3.3 Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim 52

c 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http: / /ww w .lr c - t n u.e u v n

cứng với thể tích

V t 0,6

Hình vẽ 3.4 Các thông số đặc trưn g cho mòn mặt trước và mặt 53sau - ISO3685

Hình vẽ 3.5 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt 57 sau của dao thép gió S 12-1-4-5 dùng tiện thép AISI C1050, với t =

Hình vẽ 3.9 Quan hệ giữa thời gian, tốc độ và độ mòn của dao 60

Hình vẽ 3.10 Quan hệ giữa tốc độ cắt V và tuổi bền T của dao 61

Hình vẽ 3.11 Quan hệ giữa V và T (hđồ thị lôgarit) 61

Hình vẽ 4.4 Mảnh dao TPGN, 160308 T2001 66

Hình vẽ 4.5 Thân dao MTENN 2020K16-N (hhãng CANELA) 66

Hình vẽ 4.6 (ha), Phôi thép 9XC qua tôi ứcng, (hb,c) Ảnh quang 67 học cấu trúc tế vi thép 9XC theo hai phương song song và vuông

góc với trục

Hình vẽ 4.7 Đồ thị quan hệ giữa thời gian cắt và nhám Ra, Rz 71

Hình vẽ 4.8 1(ha,b) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 sau 2,61 72 phút cắt; 1(hc,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 1 được phóng to

với các vết biến dạng dẻo bề mặt;1(he) Hình ảnh mặt sau mảnh dao

số 1;1(hf) Hình ảnh mặt sau mảnh số 1được phóng to

Hình vẽ 4.9 2(ha) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 sau 5,19 phút 73 cắt; 2(hb,c,d) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 2 được to;3(ha,b) Hình

ảnh mặt trước mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt; 3(hc,d) Hình ảnh

mặt sau mảnh dao số 3

Hình vẽ 4.10 4(ha) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 sau 10,09 74 phút cắt; 4(hb) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 4 được to;4(hc,d)

Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 ; 4(he,f) Hình ảnh mảng mòn mặt

sau mảnh dao số 4 được phóng to

Hìnhvẽ 4.11 5(ha) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 sau 12,36 75 phút cắt; 5(hb,c) Hình ảnh mặt trước mảnh dao số 5 được to;5(hd)

Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 5 ; 5(he,f) Hình ảnh mảng mòn mặt

sau mảnh dao số 5 được phóng to; 5(hb) Hình ảnh cơ chế mòn mặt

trước với sự bóc tách của lớp vật liệu dụng cụ

Hình vẽ 4.12 1(ha) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 1 sau 2,61 phút 76 cắt; 3(hb) Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 3 sau 7,69 phút cắt;4(hc)

Hình ảnh mặt sau mảnh dao số 4 sau 10,09 phút cắt ; 5(hd) Hình ảnh

mảng mòn mặt sau mảnh dao số 5 sau 12,36 phút cắt

Hình vẽ 4.13 Quy hoạch thực nghiệm theo khối lập phương 84

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt 17

Bảng 1.2 Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ cắt 18

Bảng 1.3 Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ phủ 18

Bảng 2.1 Các giá trị R a, Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp 31

Mở đầu

CÔNG NGHỆ TIỆN CỨNG VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

1 Giới thiệu về công nghệ tiện cứng

Tiện cứng (hhard turning) chính thức được giới thiệu ở nước ta vào năm

1988, tuy nhiên công nghệ này chưa có điều kiện phát triển mạnh Cho tớinhững năm gần đây khi sự đổi mới về khoa học kỹ thuật đang trở thành tấtyếu thì tiện cứng đã phát huy được vai trò to lớn của nó trong việc gia côngtinh các sản phẩm thép qua tôi cứng

Các chi tiết như vòng ổ lăn, vòi phun và những chi tiết của hệ thống thuỷlực, sau khi nhiệt luyện thường phải qua nguyên công mài hoặc mài khôn.Các nguyên công này thường thiếu linh hoạt và mất nhiều thời gian Hơn nữachi phí dung dịch trơn nguội cho nguyên công mài cũng khá cao Mặt khácchất thải khi mài ngày càng là vấn đề của môi trường sống Những lý do trên

đã thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ giacông tinh chi tiết

Phương án tối ưu cho việc thay thế này chính là tiện cứng Tiện cứng làmột cách sử dụng dao bằng mảnh vật liệu siêu cứng CBN (hCubic boronnitride), PCBN, PCD hoặc Ceramic tổng hợp nhằm thay thế cho mài trong giacông thép qua tôi (hthường ≥ 45HRC) Phương pháp này có thể gia công khô

và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá Cấp chính xác khi tiện cứng có

thể đạt IT5-7, nhám bề mặt Rz = 2 - 4 m , rõ ràng với chất lượng đạt đượcnhư vậy, tiện cứng hoàn toàn thay thế được cho mài trong hầu hết các trườnghợp gia công công tinh các sản phẩm

Các sản phẩm trong tiện cứng khá linh hoạt, từ các chi tiết dạng trục trơn(hcác trục ngắn), con lăn, tới các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn,

Để áp dụng công nghệ này hệ thống máy, dao, đồ gá phải đảm bảo các yêucầu như: Máy tiện đủ độ cứng vững, đủ tốc độ quay trục chính và công suấtphù hợp Các máy tiện NC, CNC được khuyến cáo thực hiện công việc này

Hình vẽ 1 Máy Emco Turn 332 Mcplus và Quá trình cắt khô trong tiện cứng

Các máy tiện điều khiển bằng tay có thể được dùng nếu đáp ứng được các yêucầu này

Đồ gá trong tiện cứng phụ thuộc vào biên dạng các sản phẩm yêu cầu.Nhìn chung các chi tiết gia công đều được cắt mà ít sử dụng đồ gá phụ vì lý

do độ cứng vững cần có trong tiện cứng Hơn nữa với các máy điều khiển sốthì điều này không còn nhiều ý nghĩa Các đồ gá phụ thường kèm theo cácmáy khi sản xuất

Dao tiện thường sử dụng là các mảnh lắp ghép với thân theo tiêu chuẩncủa từng máy Các mảnh có nhiều loại theo hình dạng, phần trăm lượng CBN,chất kết dính, Khi hết tuổi bền các mảnh không thể mài lại như các dao thôngthường Chúng được thay ra hoặc xoay đi dùng lưỡi cắt mới (hvới mảnh nhiềulưỡi)

Các mảnh hợp kim CBN thường sử dụng cho tiện cứng là TPGN, CNMA,DNMA, TNG, Các mảnh hợp kim cương thường là CCMT, CPGM, nóichung hàm lượng CBN phụ thuộc vào nhà sản xuất Người ta phân ra làm baloại, hàm lượng cao (hnhiều hơn 90% CBN), trung bình (h khoảng 72% CBN)

và thấp (hnhỏ hơn 60% CBN) Các mảnh có hàm lượng cao thường sử dụngcho tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột,gang và một số hợp kim đặc biệt

So với các mảnh carbide thì các mảnh CBN có giá thành cao hơn đáng kể (h

từ 4 - 5 lần), song dao CBN lại có tuổi bền lớn hơn rất nhiều Chi phí dao cụ

sẽ không là trở ngại khi đã loại bỏ công đoạn mài tinh Nhiều xưởng sản xuấtcòn nhận thấy việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô đã bù đắplượng chi phí cao hơn về dao

Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối vớithép rèn đã tôi, thép gió và hợp kim cứng bề mặt stellites Việc hợp kimstellites có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể

cả trong công việc sửa chữa Vật liệu điển hình được tiện cứng là các théphợp kim qua tôi cứng

Hình vẽ 2 Ký hiệu một số mảnh CBN dùng trong tiện cứng

Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ cắt thấp hơn quy định thì mảnh CBN sẽ bịmòn nhanh và hư hỏng Thông thường chế độ cắt khuyến cáo là: với tiện tinh

độ cứng vật liệu từ 55 - 67HRC, V = 80 - 160 (hm/ph), S = 0,04 - 0,08(hmm/vg); t = 0,1 - 0,5mm với tiện chính xác độ cứng vật liệu từ 45 - 60HRC,V= 120 - 180 (hm/ph), S = 0,02 - 0,04 (hmm/vg), t = 0,02 - 0,3mm 1

Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng, con lăn và trục bằng thép đã tôi sử

Qua đó có thể kết luận rằng, việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công tinh lần cuối đã mang lại những lợi ích sau:

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

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị

- Tăng độ chính xác gia công

- Đạt độ nhẵn bề mặt cao hơn

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

- Gia công được các contour phức tạp

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

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

Một lợi thế quan trọng nữa khi tiện cứng đó là việc tạo ra một lớp ứngsuất dư nén khi gia công, điều này đặc biệt có lợi với những chi tiết yêu cầu

độ bền mỏi cao Điều này với mài lại là một bất lợi Mặc dù vậy tiện cứngcũng có những nhược điểm cần lưu ý như: do chủ yếu cắt khô nên nhiệt rấtcao, dụng cụ có lưỡi cắt đơn nên quá trình cắt không ổn định, chi phí dụng cụcắt cao, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn dung sai chế tạo có thể nằm

ngoài vùng cho phép (htrục dài), khi chiều sâu cắt nhỏ hơn chiều sâu cắt tới

hạn (ht min) thì quá trình cắt không thể thực hiện được

Từ những năm 1970 các nghiên cứu đã tập trung vào hướng công nghệmới để đạt được các mục đích này Nhưng phải đến những năm 1990, với sựphát triển mạnh của các máy công cụ tiên tiến và vật liệu Nitrit Bor lậpphương thì tiện cứng mới được áp dụng rộng rãi trong chế tạo máy Tiện cứng

đã thực sự trở thành công nghệ không thể thiếu trong việc gia công tinh cácchi tiết qua tôi cứng Điều này góp phần không nhỏ cho quá trình lớn mạnhcủa ngành chế tạo máy nói riêng và ngành công nghiệp nói chung

2 Tính cấp thiết của đề tài

Qua phần giới thiệu về công nghệ tiện cứng có thể thấy rằng, việc nghiêncứu về tiện cứng, phân tích các quá trình lý, hóa trong tiện cứng đã và đangđược quan tâm, tiến hành tại nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như cáctrường đại học trên thế giới Tuy nhiên từ những công bố trên các tạp chí khoahọc cho thấy các kết quả nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình tiện cứngthép ổ lăn AISI 5210 0 (htiêu chuẩn Mỹ) Đồng thời các nghiên cứu này chưa

đề cập nhiều về vấn đề mòn và tuổi bền của các mảnh dao, đặc biệt với loạithép 9XC, mặt khác việc ứng dụng công nghệ này ở nước ta còn mang nhiềutính kinh nghiệm Đưa ra được một lý thuyết góp phần cải thiện và nâng caohiệu quả sản xuất là một tất yếu của các nhà chuyên môn

Ta lại biết rằng tiện cứng chủ yếu dùng trong gia công tinh, mảnh daothường có giá thành cao, vì vậy tuổi bền của mảnh dao càng trở nên quantrọng bởi trong quá trình cắt nếu phải thay dao nhiều sẽ tăng sai số, thời gianmáy, ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khi tiện cứng đếnmòn và tuổi bền mảnh dao là cần thiết đối với công đoạn gia công tinh Đặcbiệt khi công nghệ này được áp dụng tại các cơ sở sản xuất ở nước ta Việc

tìm ra một hàm số mô tả quan hệ giữa tuổi bền và chế độ cắt ứng với mộtkhoảng giá trị độ cứng trên cơ sở đó sẽ tối ưu hoá được tuổi bền là vấn đề cótính ứng dụng cao Tác giả đã chọn loại vật liệu, chế độ cắt và độ cứng giacông tại một xưởng sản xuất ở Thái Nguyên để làm cơ sở thực nghiệm.

Do vậy đề tài "Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn và tuổi bền của dao

gắn mảnh PCBN theo chế độ cắt khi tiện thép 9XC qua tôi " là cần thiết và

có tính ứng dụng trực tiếp

2.1 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tóm lược một lý thuyết cơ bản về giacông cắt gọt nói chung, tiện cứng nói riêng và tìm ra cơ chế gây mòn cácmảnh dao PCBN, đồng thời xác định mối quan hệ giữa tuổi bền của mảnh daotheo chế độ cắt (hS,V,t) khi tiện tinh thép 9XC qua tôi đạt độ cứng 56-58 HRC.Qua đó có thể đưa ra một bộ thông số chế độ cắt khi tiện cứng loại thép nàyđạt tuổi bền cao nhất trong khi vẫn đạt chất lượng bề mặt yêu cầu

2.2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học, đề tài phù hợp với xu thế phát triển khoa học và côngnghệ trong nước cũng như khu vực và thế giới

Nghiên cứu và kiểm nghiệm các kết quả gần đây về cơ chế gây mòn daoPCBN trong tiện cứng nói chung

Xây dựng được quan hệ giữa các thông số của chế độ cắt đến tuổi bềnkhi tiện cứng dưới dạng hàm thực nghiệm Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sởkhoa học cho việc tối ưu hoá quá trình tiện Đồng thời cũng góp phần đánhgiá chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC qua tôi

Về mặt thực tiễn sẽ áp dụng kết quả khi nghiên cứu thép 9XC vào một cơ

sở Sản xuất ở Thái Nguyên Qua đó nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường

và thúc đẩy các nghiên cứu mới trên các khía cạnh khác nhau về tiện cứng

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độcắt đến mòn và tuổi bền thông qua hàm thực nghiệm

Đo nhám bề mặt theo từng điều kiện cắt nhằm xác định tuổi bền mảnh dao theo chỉ tiêu mòn công nghệ

Chương 1

BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNHCẮT THÉP CÓ ĐỘ CỨNG CAO

1.1 Quá trình cắt và tạo phoi

Qúa trình cắt kim loại là quá trì nh lấy đi một lớp phoi trên bề mặt giacông để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu

Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động:

- Chuyển động cắt chính (hchuyển động làm việc): với tiện đó là chuyểnđộng quay tròn của phôi

- Chuyển động chạy dao: đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạophoi liên tục trong suốt quá trình cắt Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọccủa dao khi tiện mặt trụ [1]

Khi cắt, để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào da o cần phải đủ lớn đểtạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bịgia công

Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằng lớpkim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy

Nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị số củacông cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vàoquá trình tạo phoi (hHình vẽ 1.2)

a,

b,

Hình vẽ 1.3 Sơ đồ miền tạo phoi

Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động, bao gồm:

* Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi dao được giớihạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi Dưới tác dụng của lực tácđộng trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo Khi ứng suất do lựctác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiện hiện tượngtrượt và phoi được hình thành (hvùng AOE) Trong quá trình cắt, vùng phoimột luôn di chuyển cùng với dao

* Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao

* Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao

* Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi để hình thànhphoi

Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổ chứchạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như là không xảy ra Quátrình bóc tách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động

Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị sốcủa công cắt, độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệtvào quá trình tạo phoi

Khi cắt do tác dụng của lực P (hhình vẽ 1.3), dao bắt đầu nén vật liệu giacông theo mặt trước Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia côngphát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạng

thái biến dạn g dẻo và một lớp phoi có chiều dày a p được hình thành từ lớp

kim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao.

Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khibiến thành phoi, lớp cắt kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạngnhất định, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng.Khu vực này được gọi là miền tạo phoi (hhình vẽ 1.4)

Hình vẽ 1.4 Miền tạo phoi

Trong miền này (hnhư sơ đồ hoá hình vẽ 1.3) có những mặt trượt OA,

OB, OC, OD, OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (hlà những mặt

có ứng suất tiếp có giá trị cực đại)

Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phát sinhnhững biến dạng dẻo đầu tiên, và đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo

và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi.Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi,khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặttrước của dao

Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hhình

vẽ 1.3) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên Mức độ biếndạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài

ra theo một hướng nhất định, tạo thành têchtua

Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều

Mức độ biến dạng của phoi:

Ở đây: Kbd: mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Kms: mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trướccủa dao

Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truy ền, do đó lớp kim loại nằmphía dưới đường cắt ON (hhình 1.3a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.

Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công

và điều kiện cắt (hthông số hình học của dao, chế độ cắt,…)

Hình vẽ 1.5 Miền tạo phoi

ứng với tốc độ cắt khác nhau

Hình vẽ 1.6 Tính góc trượt 

Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi Tăngtốc độ cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại Hiện tượng đó có thể được giải thíchnhư sau:

Khi tăng tốc độ cắt, vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi vớitốc độ nhanh hơn Khi di chuyển với tốc độ lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ

đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ratheo đường OA mà chậm đi một thời gian - theo đường OA’ (hhình vẽ 1.5).Tương tự như vậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ làđường OE’ chậm hơn so với OE

Như vậy ở tốc độ cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’ ; A’OE’ quay đi mộtgóc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi so vớitrước (ha1’< a1) vì biến dạng dẻo giảm đi

Khi tốc độ cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộng của

nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet Trong trường hợp đó sự biến dạng

của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF Do đó để cho đơngiản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắ t xảy rangay trên mặt p hẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động củadao một góc bằng .

Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc  gọi là góc trượt

Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạngdẻo trong miền tạo phoi

Theo hình vẽ 1.5 nếu chiều dày lớp kim loại bị cắt là a, chiều dày của phoi là a 1 ta có:

r  a

a1 

OC.sin  OC.cos(h − 

)

cos(h −  )

nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những nhận thức về lực cắtrất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, tính toán và thiết kế máymóc, thiết bị, v.v… Dưới tác dụng của lực cắt cũng như nhiệt cắt dụng cụ sẽ

bị mòn, bị phá huỷ Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ thì phảihiểu được quy luật tác động của lực cắt Muốn tính công tiêu hao khi cắt cầnphải biết lực cắt Những nhận thức lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xáchoá lý thuyết quá trình cắt Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quátrình cắt thì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng Điều đó có nghĩa làmột mặt lực cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại sự tách phoi, mặt khác lựccắt do dụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [1], [7]

Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời gian gia công thì ựl c cắt không phải là một hằng số Lực cắt được biến đổi theoquãng đường của dụng cụ Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thờ i điểm tách phần tử phoi ra khỏi chitiết gia công Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng không bởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biến dạng phần tử khác [1], [7]

Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hình 1 7 Lực tổng hợp Pđược phân tích thành ba thành phần lực bao gồm: lực tiếp tuyến Pz (hhay Pc),lực hướng kính Py (hhay Pp) và lực chiều trục (hlực ngược với hướng chuyểnđộng chạy dao) Px

Hình vẽ 1.7 Hệ thống lực cắt khi tiện

Thành phần lực P z là lực cắt chính Giá trị của nó cần thiết để tính toáncông suất của chuyển động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết cơ cấuchuyển động chính và của các chi tiết khác của máy công cụ.

Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết, ảnh hưởngđến độ chính xác gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt

Thành phần Px tác dụng ngược hướng chạy dao, nó dùng để tính độ bềncủa chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu haocủa cơ cấu chạy dao

Lực cắt tổng cộng được xác định:

x y z

P= P 2 +P 2 +P 2

(h1-5)Trường hợp tổng quát các thành phần lực này không thuần nhất Trị sốcủa Pz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặttrước của dao Còn lại Px, Py phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực ma sát.Bởi vậy các thành phần lực này thay đổi khi thay đổi vật liệu gia công, thông

số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt,

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện

1.2.2.1 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đối với tất cả các thành phần lựccắt Px, Py và Pz ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt có thể tính

bằng công thức chung sau: P  C P

.t

x p S y p (h1- 6)

Hệ số C P và các số mũ x p , y

p

phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, các

thông số hình học của dao, dung dịch trơn nguội,

Ví dụ công thức thực nghiệm xác định các thành phần lực cắt khi tiệnthép bằng dao hợp kim cứng:

x

P  C t.S 0,5 .V −0, 4

B z

1.2.2.2 Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Trong thực nghiệm người ta tìm được thành phần P z  f (h b ,

Như vậy theo công thức trên có thể xác định lực cắt khi gia công thép có

HB ''nếu biết lực cắt P ' khi gia công thép cóHB '

1.2.2.3 Ảnh hưởng của góc nghiêng chính ϕ và bán kính đỉnh dao r

Khi gia công gang nếu tăng góc ϕ , lực P

z giảm Còn khi gia công thép lúcđầu lực P z giảm, sau đó khi ϕ 

500 thì lực

P z lại tăng Hiện tượng này là do

khi tăng ϕ làm bề rộng cắt b giảm và chiều dày cắt a tăng, mặc dù trong trường hợp này chiều sâu cắt và lượng chạy dao không thay đổi Sự thay đổicủa a và b làm lực cắt

P y ϕ

0

o

Ngoài ra góc ϕ tăng còn do chiều dày của phần cong lưỡi cắt chính, làm

z z

cho điều kiện cắt thêm phức tạp do vậy lực P z tăng

Ảnh hưởng của góc ϕ đến lực cắt P , P được giải thích bằng tương quan

3

o

r(hmm)

Hình vẽ 1.9 Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt

Trong đó đường 1 có công thức P  C r 0,1

đường 2 có công thứcđường 3 có công thức

(h1-10)

Từ các công thức này ta thấy rằng, bán kính r tăng sẽ làm thành phần P y ,

P z tăng còn P x giảm, trong đó P y tăng mạnh hơn so với P z Tuy nhiên tronggia công tinh người ta cố gắng chọn dao có r nhỏ để vừa giảm lực cắt đồngthời tăng được chất lượng bề mặt gia công

1.3 Nhiệt cắt

1.3.1 Khái niệm chung

Nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, vì nó ảnh hưởngtrực tiếp tới cơ chế tạo phoi, lẹo dao, hiện tượng co rút phoi, lực cắt và cấutrúc tế vi lớp bề mặt Đồng thời nhiệt cắt còn là nguyên chính gây mòn dụng

cụ cắt, ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dụng cụ, đặc biệt trong tiện cứng vì giá thành các mảnh dao thường khá cao.

Nói chung sự toả nhiệt khi cắt là do có một công A (hkG.m) sinh ra trongquá trình hớt phoi Nó xác định bởi công thức:

A  A1  A2 

A3

(h1-11)

trong đó: A1 - công sinh ra làm 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

Ngoài ra công A có thể tính bởi công thức khác: A  P z

Năm Vật liệu dụng cụ Vận tốc cắt

(m/ph)

Nhiệt độ giới hạn đặc tính cắt ( 0 C)

Độ cứng (HRC)