Lựa chọn mũi khoan và xác định chế độ cắt hợp lý để nâng cao hiệu quả trong việc gia công lỗ lắp hạt cắt của chóp mũi khoan xoay cầu 246

Mũi khoan xoay cầu 246 Quá trình gia công các lỗ trên các chóp để lắp các hạt cắt HKC đƣợc thực hiện trên máy khoan đứng; dụng cụ gia công là mũi khoan vật liệu thép gió P18,... Chóp m

Trang 1

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

= = = = =  = = = = =

ĐỖ QUANG

LỰA CHỌN MŨI KHOAN VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT HỢP LÝ

ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRONG VIỆC GIA CÔNG LỖ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA

PGS.TS NGUYỄN QUỐC TUẤN

PHÕNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN - 2015

Trang 2

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

= = = = =  = = = = =

ĐỖ QUANG

LỰA CHỌN MŨI KHOAN VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT HỢP LÝ

ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRONG VIỆC GIA CÔNG LỖ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TUẤN

THÁI NGUYÊN - 2015

Trang 3

3

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Qua nghiên cứu thực tế sản xuất mũi khoan xoay cầu tại Công ty TNHH một thành viên cơ khí hóa chất 13 phục vụ ngành khai thác khoáng sản, cụ thể là mũi khoan xoay cầu 246 với vật liệu chế tạo chóp là thép 20XHM

Hình 1 Mũi khoan xoay cầu 246

Quá trình gia công các lỗ trên các chóp để lắp các hạt cắt HKC đƣợc thực hiện trên máy khoan đứng; dụng cụ gia công là mũi khoan vật liệu thép gió P18,

Trang 4

4

đường kính 10, 13, 14 (tương ứng với các lỗ 10, 13, 14 của chóp) Sau khi khoan xong các lỗ lắp hạt cắt HKC mới tiến hành nhiệt luyện chóp để đảm bảo độ cứng theo yêu cầu Số lượng các lỗ được phân bổ trên các chóp như sau:

Bảng 1 Bảng số lượng lỗ phân bổ trên chóp mũi khoan xoay cầu

Trang 5

5

Hình 2 Chóp mũi khoan xoay cầu

Do các lỗ lắp hạt cắt HKC được gia công đạt yêu cầu trước khi nhiệt luyện, nên sau khi nhiệt luyện xong có sự biến động tăng về sai số kích thước đường kính, độ côn, độ ô van (thực tế 0,030,04mm; thậm chí có những lỗ tới 0,05mm)

và nhám bề mặt của lỗ khoan Vì vậy trước khi tiến hành lắp ép các hạt cắt HKC vào các lỗ phải đo phân loại các lỗ trên chóp theo từng nhóm kích thước đường kính, đồng thời các hạt cắt HKC phải được mài theo từng nhóm kích thước lỗ của chóp đã được phân loại để đảm bảo độ dôi ép khi tổng lắp hạt cắt HKC vào chóp mũi khoan (không lắp lẫn được và phải lắp chọn nên tốn nhiều thời gian lao động) Sự biến động tăng về sai số độ côn, độ ô van và nhám bề mặt của lỗ lắp hạt cắt đã làm giảm chất lượng mối ghép giữa hạt cắt với lỗ nên dẫn đến tình trạng tụt hạt cắt khi khoan tại khai trường (chủ yếu xảy ra tình trạng tụt hạt cắt ở loại lỗ khoan 14) Vì vậy đã làm giảm chất lượng cũng như tuổi thọ của mũi khoan xoay cầu

Để khắc phục những tồn tại nêu trên thì cần phải thực hiện công nghệ khoan

lỗ lắp hạt cắt trên chóp sau nhiệt luyện (hay là khoan cứng) để đảm bảo tính ổn định kích thước các lỗ gia công (giảm sai số kích thước đường kính, độ côn và

độ ô van của lỗ ≤ 0,02mm) và nâng cao chất lượng bề mặt của lỗ khoan (giảm nhám bề mặt lỗ) Từ đó đảm bảo chất lượng mối ghép và kiểm soát tốt độ dôi ép khi tổng lắp hạt cắt vào chóp mũi khoan, giảm tối đa và khắc phục tình trạng tụt hạt cắt khi khoan; đảm bảo tính lắp lẫn trong quá trình tổ chức sản xuất

+0,1

Trang 6

tài: “Lựa chọn mũi khoan và xác định chế độ cắt hợp lý để nâng cao hiệu

quả trong việc gia công lỗ lắp hạt cắt của chóp mũi khoan xoay cầu 246”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

và nâng cao chất lượng bề mặt khi khoan các lỗ lắp hạt cắt HKC trên chóp của mũi khoan xoay cầu làm bằng vật liệu 20XHM đã tôi

3 Lựa chọn phương pháp và phương tiện nghiên cứu

- Lựa chọn phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với làm thực nghiệm để chứng minh

- Phương tiện nghiên cứu: Máy phay CNC: FV - 800, máy chụp tế vi, máy

đo nhám, kính hiển vi điện tử, pan me đo lỗ

4 Nội dung của đề tài

Gồm 4 chương:

Chương 1: Nghiên cứu lựa chọn mũi khoan để gia công thép 20XHM đã tôi Chương 2: Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến mòn và tuổi bền của mũi khoan

Chương 3: Thí nghiệm khoan lỗ 14 trên thép 20XHM đã tôi và kết quả khoan trên sản phẩm

Chương 4: Đánh giá hiệu quả của nghiên cứu

Trang 7

7

Tổng kết, đánh giá kết quả và đề xuất hướng nghiên cứu

Chương 1

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MŨI KHOAN

ĐỂ GIA CÔNG THÉP 20XHM ĐÃ TÔI

1.1 Tổng quan về vật liệu dụng cụ cắt:

1.1.1 Đặc tính cơ bản chung của vật liệu dụng cụ

Đặc tính phần dụng cụ cắt có ảnh hưởng lớn đến năng suất gia công và chất lượng bề mặt chi tiết Khả năng giữ được tính cắt của dụng cụ góp phần quyết định năng suất gia công của dụng cụ Dụng cụ làm việc trong điều kiện cắt khó khăn vì áp lực, nhiệt độ cao, dụng cụ cắt còn bị mài mòn và rung động trong quá trình cắt

Trong quá trình gia công, phần cắt của dụng cụ trực tiếp làm nhiệm vụ cắt

để tạo phoi Để nâng cao năng suất cắt, nâng cao chất lượng bề mặt gia công, phần cắt của dụng cụ không những phải có hình dáng hình học hợp lý mà còn phải được chế tạo từ những loại vật liệu thích hợp Vì vậy vật liệu dụng cụ cắt cần thiết phải đảm bảo những yêu cầu cơ bản sau đây

1.1.2 Tính năng cắt

Trong quá trình cắt, ở phần lưỡi cắt trên mặt trước và mặt sau của dụng cụ cắt thường xuất hiện ứng suất tiếp xúc rất lớn, khoảng 4000 5000 N/mm2, đồng thời áp lực riêng lớn gấp 100  200 lần so với áp lực cho phép của chi tiết máy Nhiệt độ tập trung trên vùng cắt lên tới 600  9000C Trong điều kiện như vậy, việc cắt chỉ thực hiện có hiệu quả khi dụng cụ cắt có khả năng giữ được tính cắt trong khoảng thời gian dài Điều đó đòi hỏi vật liệu dụng cụ cắt cần phải

có đầy đủ những tính chất cơ lý cần thiết như độ cứng, độ bền nhiệt, độ chịu mòn, độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt

- Độ cứng: Độ cứng là một trong những chỉ tiêu quan trọng của vật liệu

dụng cụ cắt Muốn cắt được, vật liệu phần cắt của dụng cụ cắt thường phải có độ cứng lớn hơn vật liệu gia công khoảng HRC25 Độ cứng phần cắt của dụng cụ cắt thường đạt trong khoảng HRC60-65 Nâng cao độ cứng phần cắt của dụng

Trang 8

8

cụ cắt cho phép tăng khả năng chịu mòn và tăng tốc độ cắt

Trong quá trình cắt, cần quan tâm nhiều đến độ cứng nhiệt của lưỡi cắt tức là độ cứng xét trong trạng thái lưỡi cắt bị nung nóng Vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng cắt của dao

- Độ bền cơ học: Trong quá trình cắt, dụng cụ cắt thường chịu những lực

và những xung lực rất lớn Mặt khác, dụng cụ cắt còn chịu rung động do hệ thống công nghệ: Máy - đồ gá - dao - chi tiết không đủ độ cứng vững hoặc do dao làm việc trong điều kiện tải trọng động lớn hoặc do sự thay đổi liên tục của lực cắt Do đó dẫn đến tình trạng lưỡi cắt dễ bị phá hỏng sớm do mẻ, vỡ, tróc, mòn, Vì vậy để nâng cao tính năng cắt và tuổi bền của dao, vật liệu dụng cụ cắt cần phải có độ bền cơ học cao

Việc nâng cao độ bền cơ học của vật liệu dụng cụ cắt, nhất là đối với hợp kim cứng và vật liệu sứ là một trong những hướng chính trong lĩnh vực thiết kế

và chế tạo dụng cụ cắt

- Độ bền nhiệt: Độ bền nhiệt là khả năng giữ được độ cứng cao và các

tính năng cắt khác ở nhiệt độ cao trong khoảng thời gian dài Độ bền nhiệt được đặc trưng bởi nhiệt độ giới hạn mà khi nung liên tục vật liệu dụng cụ cắt trong khoảng thời gian nhất định (khoảng 3 giờ) thì đến nhiệt độ đó độ cứng của nó cũng không giảm quá mức qui định (khoảng HRC60)

Độ bền nhiệt là yếu tố quan trọng nhất của vật liệu dụng cụ cắt Nó quyết định việc duy trì khả năng cắt của dao trong điều kiện nhiệt độ và áp lực rất lớn

ở vùng cắt

- Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt của vật liệu dụng cụ cắt càng cao thì nhiệt

lượng được truyền khỏi lưỡi cắt càng nhanh Do đó giảm sự tập trung nhiệt độ trên vùng cắt, tăng độ bền mòn cho dụng cụ cắt Mặt khác, cho phép nâng cao tốc độ cắt Chính vì kim cương có độ dẫn nhiệt lớn hơn hắn so với các loại vật liệu dụng cụ cắt khác nên cho phép dao kim cương cắt với tốc độ rất cao

- Tính chịu mòn: Độ bền mòn của vật liệu dụng cụ cắt được đặc trưng

bởi khả năng giữ vững hình dáng và thông số hình học phần cắt trong quá trình gia công

Trong quá trình cắt, mặt trước dụng cụ tiếp xúc với phoi, mặt sau tiếp xúc với mặt đang gia công chi tiết với tốc độ trượt lớn, nên vật liệu dụng cụ phải có

Trang 9

9

tính chịu mòn cao Phần cắt của dụng cụ, khi đủ sức bền cơ học, thì dạng hỏng chủ yếu là dụng cụ bị mài mòn Thực tế chỉ rõ rằng khi độ cứng càng cao thì tính chịu mòn vật liệu càng cao Tính chịu mòn vật liệu tỷ lệ thuận với độ cứng

Một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra mòn dao là hiện tượng dính chảy của vật liệu làm dao Tính chảy dính của vật liệu làm dao được đặc trưng bởi nhiệt độ chảy dính giữa hai vật liệu tiếp xúc với nhau Vật liệu làm dao tốt

là loại vật liệu có nhiệt độ chảy dính cao Qua nghiên cứu thực nghiệm, nhiệt độ chảy dính của các loại kỹ thuật hợp kim cứng có cacbit vonfram (WC), cacbit titan (TiC) với thép (10000C ) cao hơn các hợp kim coban với thép (6750

C)

1.1.3 Tính công nghệ

Dụng cụ cắt thường có hình dáng hình học phức tạp, đòi hỏi những yêu cầu

kỹ thuật khá cao về độ chính xác hình dáng kích thước, độ nhẵn bề mặt Vì vậy, vật liệu dụng cụ cắt cần phải có tính công nghệ tốt

Tính công nghệ tốt là khả năng của vật liệu cho phép gia công hợp lý, dễ dàng bằng các phương pháp gia công khác nhau như hàn, gia công bằng áp lực, bằng cắt, bằng nhiệt luyện, bằng hóa nhiệt

Tính công nghệ của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần hóa học, cấu trúc tế vi, kích thước hạt, độ cứng, độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt

1.1.4 Tính kinh tế

Khi chọn vật liệu dụng cụ cắt, ngoài việc chú ý đến tính năng cắt, tính công nghệ, còn cần phải chú ý đến giá thành của chúng nữa Vật liệu dụng cụ cắt thường đắt tiền Chi phí vật liệu thường chiếm một tỷ lệ cao trong giá thành chế tạo dụng cụ cắt

Do đó cần phải chọn vật liệu dụng cụ cắt phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của dao, của chi tiết gia công, nhằm giảm chi phí chế tạo dao cho một đơn vị chi tiết gia công

1.2 Dụng cụ phủ và ứng dụng trong cắt kim loại

1.2.1 Đặc điểm phủ bay hơi lý học (PVD)

Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 4000

C - 5000C Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió Do nhiệt độ thấp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo về bề mặt cần

Trang 10

10

phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ 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:

Phủ PVD dễ tạo ứng suất nén trên vật liệu nền Hợp kim có lớp phủ PVD phù hợp cho việc gia công các loại vật liệu có độ dẻo cao, phoi dễ bám dính như loại vật liệu thuộc nhóm Austenitic M, Nhôm N Loại lớp phủ này chịu được sự thay đổi nhiệt tốt hơn so với lớp phủ CVD

Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp Hơn

30 năm qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với hầu hết các ứng dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã được sử dụng rộng rãi nhất cho các công cụ cắt

Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid được phân loại như phủ ngoài ma sát thấp Những công nghệ phủ này cung cấp một giải pháp gia công không thể thay thế được trong những vật liệu đòi hỏi tốc độ cắt thấp 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 lên nhiều

Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hoàn thiện bề mặt tốt hơn, hình học chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất thông qua sự tăng tuổi thọ dụng 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 lỗi sẽ thấp hơn

Trang 11

11

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

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

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

1.2.2 Đặc điểm phủ bay hơi hóa học (CVD)

Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ các lớp mỏng ceramics như TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cương nhân tạo…với chiều dày 5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 buồng này để tạo ra các thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học Nhiệt độ của quá trình từ 8000

C đến 10500C và chu kỳ nung nóng diễn

ra vài giờ

Phủ CVD tạo ứng suất kéo trên bề mặt vật liệu nền

Phủ CVD sẽ có ưu thế hơn trong nhiều ứng dụng khi dung sai và vật liệu cho phép, đặc biệt là trong các ứng dụng tạo hình biến dạng kim loại có ứng suất cao Các quá trình phủ CVD tạo ra các liên kết kiểu khuếch tán giữa lớp phủ và

nền, liên kết này lớn hơn nhiều so với liên kết được tạo ra trong phủ PVD

Kết luận:

Mặc dù mỗi phương pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánh giá 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

Trang 12

12

Bảng 1.1: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ

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

Theo các đánh giá sơ bộ, tuổi thọ dụng cụ khi phủ thường gấp từ 2 - 3 lần

so với khi không phủ Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, ứng dụng cụ thể còn cho thấy tuổi thọ có thế tăng gấp 10 lần

1.2.3 Đặc điểm của một số loại vật liệu phủ

Hiện nay trên thị trường có nhiều hãng khác nhau cung cấp dụng cụ phủ, mỗi hãng lớp phủ có đặc điểm khác nhau 8, 14, 15 , cụ thể ở bảng sau:

Bảng 1.2: Một số loại vật liệu phủ

TT Tên hãng Ký hiệu khuyến cáo Tốc độ cắt pháp phủ Phương Vật liệu phủ

Độ cứng vật liệu gia công

Độ cứng lớp phủ

1

WALTER

(Đức)

A57 WXP40 V=(50 70)

P4841C-1R-m/phút

≤ 50 HRC P4841C-1R-

V=(40  60) m/ph

Trang 13

13

(Nhật) NCP300

1.3 Mũi khoan và chế độ độ cắt khi khoan

1.3.1 Các loại mũi khoan

Tạo lỗ thuộc về những nguyên công quan trọng nhất trong chế tạo máy Khi chế tạo động cơ ô tô, giá thành gia công lỗ thường cao nhất Khoan là quá trình tạo lỗ bằng gia công cắt gọt phổ biến và thông dụng nhất từ bề mặt đặc; các quá trình tạo lỗ khác là đột, gia công bằng tia lửa điện, laser, chùm tia điện tử

Khoan không những chỉ có thể thực hiện trên các máy khoan mà còn có thể tiến hành trên các máy khác như: máy tiện vạn năng, máy tiện tự động và bán tự động, máy revônve, máy phay…

Mũi khoan để gia công lỗ có nhiều loại khác nhau tuỳ theo công dụng của chúng như: mũi khoan ruột gà, mũi khoan lỗ sâu, mũi khoan lỗ tâm Chúng thường có khả năng gia công lỗ tương đối sâu Nói chung mũi khoan bền và linh hoạt, tuy nhiên tùy theo đường kính cần thận trọng để khoan lỗ chính xác mà không bị gãy mũi khoan Hơn nữa khi khoan phoi thoát ra ngược với hướng chuyển động chạy dao Kết quả làm phoi dễ bị kẹt và giảm tác dụng của dung dịch trơn nguội gây khó khăn cho quá trình khoan

Hình 1.1 Các kiểu mũi khoan

Trang 14

14

Thông thường, đường kính lỗ khoan lớn hơn đường kính mũi khoan (dễ quan sát thấy khi rút mũi khoan khỏi lỗ) Lượng lay rộng này tùy thuộc vào chất lượng mũi khoan, máy, cũng như thực tế sản xuất

Khoan có thể gia công được lỗ có đường kính từ Ф 0,1  Ф80 mm, nhưng phổ biến nhất là những lỗ có đường kính Ф ≤ 35 mm Sở dĩ như vậy vì khi khoan lỗ lớn thì lực đè tác dụng vuông góc với trục mũi khoan rất lớn có thể làm lệch hoặc gãy mũi khoan Lực đè lớn cũng làm biến dạng chi tiết gia công khi máy không đủ độ cứng vững hoặc làm chi tiết quay tương đối trong đồ gá Lực

đè biến đổi từ vài newton cho đến 100 kN khi khoan lỗ lớn từ vật liệu có độ bền cao Tương tự momen xoắn khi khoan có thể lên đến 4000 N.m Độ chính xác và

độ bóng của khoan thấp (cấp 7, R z =80-40 μm)

Để khắc phục những hiện tượng trên, ngoài việc yêu cầu đảm bảo độ chính xác của máy, độ chính xác chế tạo và mài dao, còn có một số biện pháp công nghệ sau đây:

- Khoan bằng cách cho vật quay, dao tịnh tiến như tiến hành trên máy tiện, song phải đảm bảo độ cứng vững của chi tiết và mũi khoan thật tốt Thực tế cho thấy biện pháp này có hiệu quả rõ rệt

- Dùng bạc dẫn hướng khoan để tăng độ cứng vững và ổn định của mũi khoan

- Khoan với lượng chạy dao nhỏ để giảm bớt lực cắt

- Đối với những lỗ nhỏ, có thể dùng mũi khoan tâm để khoan mồi trước, định tâm cho mũi khoan sau

- Do chuyển động quay lỗ khoan tồn tại các rãnh tế vi theo chu vi làm giảm độ bền mỏi khi chịu tải trọng động

1.3.2 Mũi khoan gắn mảnh

Một trong các dụng cụ cắt năng suất cao trong gia công hiện đại là mũi khoan gắn mảnh hợp kim (còn gọi là mũi khoan chắp)

Trang 15

15

Hình 1.2 Phần cắt gọt của mũi khoan gắn mảnh

Loại mũi khoan này sử dụng các mảnh carbides (hợp kim cứng) tương tự các dao phay hoặc tiện Mũi khoan được thiết kế để khoan vật liệu rắn, không yêu cầu khoan tâm hoặc khoan điểm, tốc độ trục chính cao và tốc độ cắt tương đối thấp Trong hầu hết các trường hợp, loại mũi khoan này được dùng để khoan các lỗ suốt, nhưng cũng có thể khoan lỗ cụt Kiểu mũi khoan này còn được dùng

để doa với lượng dư gia công thấp đến trung bình

Trong minh họa này, đường kính D của mũi khoan là kích cỡ lỗ do mũi khoan tạo ra Chiều dài đỉnh H do nhà chế tạo mũi khoan xác định Ví dụ, mũi khoan chắp với đường kính D = 1.25 inch, có chiều dài đỉnh H là 0.055 Mũi khoan này có thể dùng cho ứng dụng quay hoặc tĩnh tại, ngang hoặc đứng, trên trung tâm gia công hoặc máy tiện Để đạt hiệu suất cao, cần cung cấp chất làm nguội với áp suất cao qua suốt chiều dài mũi khoan đặc biệt khi gia công các vật liệu cứng, lỗ sâu, hoặc nằm ngang Chất làm nguội không chỉ giải nhiệt mà còn giúp đẩy phoi ra ngoài Khi sử dụng mũi khoan chắp, cần bảo đảm đủ công suất

ở trục chính của máy Các yêu cầu công suất tại trục chính tăng tỷ lệ với đường kính mũi khoan

Trên trung tâm gia công, mũi khoan chắp được lắp vào trục máy, do đó quay chung với trục Theo kiểu lắp này, mũi khoan được dùng trong trục chính phải có độ cứng vững cao Sự cung cấp chất làm nguội có thể gộp cả chất làm nguội bên trong, bộ ống thích hợp để làm nguội qua lỗ khi mũi khoan được dùng trên trung tâm gia công

1.3.3 Chế độ cắt khi khoan

Trang 16

n: số vòng quay của mũi khoan trong một phút, vg/ph

1.3.3.2 Lượng chạy dao (s)

Lượng chạy dao khi khoan là lượng dịch chuyển của mũi khoan theo

chiều trục sau một vòng quanh nó, được tính bằng mm/vg Vì mũi khoan có hai

lưỡi cắt chính, nên mỗi răng thực hiện được một lượng chạy dao răng là:

 (mm)

Trong đó: d - đường kính lỗ trước khi khoan rộng, mm

Trang 17

17

1.3.3.4 Chiều dày cắt (a), chiều rộng cắt (b), diện tích cắt (f) - bỏ qua ảnh hưởng của lưỡi cắt ngang

+ Chiều dày cắt a - lớp kim loại được cắt đi sau một vòng quay của mũi

khoan, đo theo phương vuông góc với lưỡi cắt chính trên mặt đáy:

a = s z.sinφ =

2

s sinφ (mm)

Ở đây: φ – một nửa góc ở đỉnh giữa hai lưỡi cắt chính

+ Chiều rộng cắt b - đoạn lưỡi cắt chính tham gia cắt trên mặt đáy

2 sin 

D

b hay

 sin

- Qua phân tích ở trên để khoan vật liệu 20XHM nhiệt luyện đạt độ cứng

35 - 40 HRC phải chọn loại dụng cụ có độ cứng cao hơn Em lựa chọn sử dụng mũi khoan chắp mảnh Hãng WALTER của Cộng hòa liên bang Đức để nghiên cứu

- Mảnh cắt phủ:

+ Mảnh cắt trong: Ký hiệu P4841C-1R-A57 WXP40, Phủ PVD: TiCN + Mảnh cắt ngoài: Ký hiệu: P4840P-1R-E57 WKP 25S, Phủ CVD: TiCN + Al2O3 (+TiN)

+ Độ cứng lớp phủ HV (0,05): 3000-3500 tương đương 80HRC

+ Mảnh dụng cụ khi mòn, hỏng một góc có thể xoay để gia công ứng với các góc khác Như vậy mỗi mảnh dụng cụ có thể gia công bốn lượt

Trang 18

18

+ Lớp phủ cứng ngoài có độ cứng rất cao còn có tác dụng ngăn nhiệt độ không truyền vào dụng cụ, làm giảm ma sát giữa dụng cụ và phôi trong quá trình gia công

+ Các mảnh dụng cụ phủ tiêu chuẩn, có tính lắp lẫn cao như vậy rất thuận tiện cho quá trình thay thế dụng cụ khi dụng cụ mòn, hỏng

- Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, dụng cụ phủ giúp cho mọi quá trình gia công hiệu quả hơn Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá trình sản xuất có thể giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai Tuổi thọ dụng cụ khi phủ thường gấp từ 2 - 3 lần so với khi không phủ

Chương 2

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MÒN VÀ TUỔI BỀN CỦA MŨI KHOAN

2.1 Chất lượng bề mặt sau gia công cơ

2.1.1 Khái niệm chung về lớp bề mặt

Bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau Bề mặt kim loại

có thể được tạo thành bằng các phương pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc

và đặc tính khác nhau Để xác định đặc trưng của bề mặt ta cần biết mô hình và định luật kim 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 đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trường

để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực

2.1.2 Bản chất của lớp bề mặt

Bề mặt vật rắn hay chính xác là một mặt phân cách rắn - khí hay rắn - lỏng có cấu trúc và tính chất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, phương pháp tạo nên bề mặt đó và tương tác giữa bề mặt đó với môi trường xung quanh

Trang 19

19

Hình 2.1 Chi tiết bề mặt vật rắn

Các tính chất của bề mặt vật rắn rất quan trọng đối với tương tác bề mặt, bởi

vì tính chất bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới diện tích tiếp xúc thực, ma sát, mòn

và bồi trơn Hơn nữa các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng khác 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 là lớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tương tác hoá học, lớp Beibly, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là lớp vật liệu nền

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

2.1.3.1 Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá

* Độ nhám bề mặt

Cũng theo TCVN 2511 - 1995 thì độ nhám bề mặt được chia thành 14 cấp, từ cấp 1 đến cấp 14 ứng với các giá trị Ra và Rz Trị số nhám càng bé thì bề mặt càng nhẵn và ngược lại Độ nhám bề mặt thấp nhất (hay độ nhẵn bề mặt cao nhất) ứng với cấp 14 (tương ứng với Ra  0,01m và Rz  0,05m) Việc chọn chỉ tiêu Ra hay Rz là tuỳ thuộc vào chất lượng yêu cầu của bề mặt Chỉ tiêu Ra được gọi là thông số ưu tiên và được sử dụng phổ biến nhất do nó cho phép ta đánh giá chính xác hơn và thuận lợi hơn những bề mặt có yêu cầu nhám trung bình (độ nhám từ cấp 6 đến cấp 12) Đối với những bề mặt có độ nhám quá thô (độ nhám từ cấp 1 đến cấp 5) và rất tinh (cấp 13, cấp 14) thì dùng chỉ tiêu Rz sẽ cho ta khả năng đánh giá chính xác hơn khi dùng Ra

Trong thực tế sản xuất nhiều khi người ta đánh giá độ nhám theo các mức độ: Thô (cấp 1 - cấp 4), bán tinh (cấp 5 - cấp 7), tinh (cấp 8 - cấp 11) và siêu tinh (cấp 12 - cấp 14)

* Phương pháp đánh giá nhám bề mặt

Để đánh giá nhám bề mặt người ta thường dùng các phương pháp sau đây:

Trang 20

20

- 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, RMax…bằng máy đo profin Phương pháp này sử dụng mũi dò để đo profin lớp bề mặt có cấp độ nhẵn tới cấp 11 Đây là phương pháp được tác giả sử dụng sau khi khoan các mẫu thí nghiệm

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

+ So sánh bằng mắt + So sánh bằng kính hiển vi quang học

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

* Hiện tượng biến cứng của lớp bề mặt

Trong quá trình gia công cơ dưới tác dụng của lực cắt, mạng tinh thể của lớp kim 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 Trong vùng cắt, thể tích riêng của kim loại tăng, còn mật độ kim loại giảm làm xuất hiện ứng suất Khi đó nhiều tính chất của lớp bề mặt thay đổi như giới hạn độ bền, độ cứng, độ giòn được nâng cao, ngược lại tính dẻo dai lại giảm…Kết quả là lớp bề mặt kim loại bị cứng nguội và có độ cứng tế vi rất cao Mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng phụ thuộc vào các phương pháp gia công và các thông số hình học của dao Cụ thể là phụ thuộc vào lực cắt, mức

độ biến dạng dẻo của kim loại và nhiệt 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 sẽ hạn chế hiện tượng biến cứng bề mặt Như vậy mức độ biến cứng của lớp bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ tác động giữa hai

yếu tố lực cắt và nhiệt sinh ra trong vùng cắt

Trang 21

21

* Ứng suất dư trong lớp bề mặt

Quá trình hình thành ứng suất dư bề mặt sau gia công cơ phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến đổi nhiệt và hiện tượng chuyển pha trong cấu trúc kim loại, quá trình này diễn ra phức tạp Ứng suất dư lớp bề mặt được đặc trưng bởi trị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư Trị số và dấu phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi của vật liệu gia công, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ và dung dịch 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 bề mặt 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 Lớp kim 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 ứng suất dư kéo để cân bằng

- Nhiệt sinh ra ở vùng cắt lớn sẽ nung nóng cục bộ các lớp mỏng bề mặt làm mô đun 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 ứng suất 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 hình thành 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 ứng suất 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 còn vật liệu dẻo thường gây ứng suất dư kéo

Trang 22

22

Ứng suất nén trong lớp bề mặt làm tăng độ bền mỏi của chi tiết, còn ứng suất dư kéo 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 bền mỏi có thể tăng lên 50%, còn khi có ứng suất dư kéo thì giảm 30%

2.2 Mòn và tuổi bền của dụng cụ

2.2.1 Mòn dụng cụ

2.2.1.1 Khái niệm chung về mòn

Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai

bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau Eyre và Davis định nghĩa mòn liên quan đến về khối lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặc topography của bề mặt Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng

do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách ra thành những hạt mài rời Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật liệu cũng là một dạng mòn

Giống như ma sát, mòn không phải là do tính chất của vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mòn ở bề mặt tiếp xúc chung Sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao

Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn Theo Shanshal và Dygdale mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công Konig cho rằng sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như các biện pháp công nghệ mới để

Trang 23

23

tăng bền bề mặt như phủ bay hơi chính là nhằm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ

2.2.1.2 Các cơ chế mòn của hai bề mặt trượt tương đối

Theo Eyer và Davis ma sát và mòn không phải là tính chất thuộc tính của vật liệu mà phụ thuộc vào hệ kỹ thuật trong đó chúng được sử dụng Ma sát và mòn không hoàn toàn phụ thuộc vào nhau vì ma sát sinh ra do tương tác giữa các nhấp nhô bề mặt có liên quan đến các quá trình cơ, hoá và lý còn mòn lại xảy ra do sự nứt tách trong lòng vật liệu cách bề mặt ma sát một khoảng nào đó Theo Biswas sự hình thành các hạt mài và hợp chất trong một hệ ma sát, mòn và bôi trơn bắt đầu từ hai quá trình, tương tác về ứng suất và tương tác về vật liệu Tương tác về ứng suất là tác động tổng hợp của tải trọng và lực ma sát tạo nên các cơ chế mòn như mỏi và mòn bằng hạt mài Tương tác về vật liệu là tương tác giữa các nguyên tử, phân tử giữa các vật thể hoặc tương tác giữa chúng với môi trường tạo nên các cơ chế mòn liên quan đến tác dụng hoá, lý và dính Các

cơ chế mòn chính thường gặp trong kỹ thuật là mòn do dính, mòn do mỏi, mòn

do hạt mài và mòn do tác dụng hoá lý

Theo Shaw mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ôxy hoá và mỏi Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt, tuy nhiên tuỳ theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế Ngoài ra dụng cụ còn

bị phá huỷ do mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo

Theo Loffer, trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của các cơ chế mòn phá huỷ Ở dải vận tốc cắt thấp và trung bình, cơ chế mòn do dính và do hạt mài chiếm ưu thế cho cắt liên tục và gián đoạn Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hoá lý trở lên chiếm ưu thế đối với cắt liên tục và tạo nên vùng mòn mặt trước Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục

Nhân tố then chốt trong tốc độ mòn của hầu như tất cả các vật liệu làm dao là nhiệt độ đạt được trong suốt quá trình gia công Thông thường người ta cho rằng tất cả năng lượng sinh ra khi cắt được chuyển thành nhiệt và 80% lượng nhiệt này được phoi mang đi (điều này sẽ thay đổi và phụ thuộc vào một

số nhân tố - đặc biệt là tốc độ cắt), 20% lượng nhiệt còn lại truyền vào dao cắt

* Mòn do dính

Trang 24

24

Khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, đỉnh các nhấp nhô sẽ bị biến dạng dẻo dưới tác dụng của ứng suất pháp Khi hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau lớp màng mỏng ôxy hoá và hấp thụ bị phá vỡ và vật liệu ở đỉnh các nhấp nhô tiếp xúc trực tiếp gây dính

Có giả thiết, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác dụng của ứng suất nén và tiếp là sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trượt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có dạng như hình nêm và dính sang bề mặt đối tiếp

Đối với dụng cụ cắt mòn do dính phát triển đặc biệt trong điều kiện nhiệt

độ cao Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng thời gian cắt ngắn, hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của các lớp bề mặt dụng cụ và cường độ dính của nó đối với bề mặt gia công Cường độ này được đặc trưng bởi hệ số cường độ dính Ka là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ xác định Với đa số các cặp vật liệu thì Ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ 9000C đến 13000C Bản chất phá huỷ vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả dẻo và giòn Độ cứng của dụng cụ đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 thì mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần

Dao thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt trước ở nhiệt độ khoảng 9000C Khi mặt trước của phoi dính chặt vào mặt trước thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trượt của các lớp phoi bị biến cứng cũng đủ để gây ra sự trượt trong các lớp vật liệu dụng cụ trong vùng mòn gây ra mòn dính

Loladze và Rabinowicz cho rằng khi hai bề mặt làm từ vật liệu khác nhau trượt tương đối với nhau các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn cũng bị tách ra khỏi vùng bề mặt Nguyên nhân do sự dính ngẫu nhiên của vùng bề mặt có sức

Trang 25

25

bền bị giảm cục bộ với vùng bề mặt có sức bền cao cục bộ của vật liệu mềm Archard đã đưa ra mô hình tính toán mòn dính theo công thức sau:

Q = k

o 3

 là giới hạn bền của vật liệu mềm hơn

Halling đã chỉ ra công thức tính mòn dính khi kể đến ảnh hưởng lớp màng mỏng tạp chất của Rowe:

va chạm đối với nhau Halling cho rằng khi các đỉnh nhấp nhô không bị dính hoặc mòn do hạt mài thì sẽ bị biến dạng dẻo Sau một số lần tiếp xúc đủ lớn nhấp nhô có thể bị phá huỷ do mỏi tạo nên hạt mòn Lý thuyết mòn do dính không giải thích được tại sao các hạt mòn rời lại được tạo ra, đặc biệt là hạt mòn

từ bề mặt cứng hơn Nhưng lại có thể giải thích bằng quá trình mòn do mỏi Vì thế Armarego cho rằng hai cơ chế mòn do mỏi và dính đều là bộ phận của một quá trình mòn

Theo Halling cho đến nay chưa có một lý thuyết thoả đáng nào về mỏi được đưa ra Đối với phần lớn các vật liệu, biến dạng dẻo sinh ra trong mỗi chu

kỳ có liện hệ đến số chu kỳ phá huỷ N theo phương trình của Kragelski: (

Trang 26

26

Trong đó: p là độ lớn biến dạng dẻo trong một chu kỳ

fail là biến dạng dẻo giới hạn để phá huỷ khi kéo Halling cũng đề cập đến phương trình mỏi của Wohler như sau:

N = (

S

S o

)t Trong đó: N là số chu kỳ phá huỷ tại ứng suất S

So là ứng suất phá huỷ trong một chu kỳ ứng suất đơn

Cày là hiện tượng tạo rãnh do hạt mài cứng trượt và gây ra biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn Khi các nhấp nhô của bề mặt cứng và ráp hoặc các hạt cứng trượt trên bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách, trong trường hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có độ dai va đập cao, đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trường hợp tải nhẹ nhất, trong trường hợp vật liệu giòn có độ dai va đập thấp mòn xảy ra do nứt tách

Mòn dụng cụ cắt do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công như oxides và nitrides hoặc những hạt các bít của vật liệu gia công trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công tạo nên các vết cào xước trên bề mặt dụng cụ

Môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn đến cường độ của mòn do hạt mài

Trang 27

27

Hình 2.2 Sơ đồ thể hiện các khả năng tương tác của hạt mài với bề mặt của vật

liệu, vết mòn và mặt cắt ngang của nó

Theo Gahr khả năng chống mòn do hạt mài tăng mạnh hơn khi tăng độ cứng đối với kim loại nguyên chất so với thép được nhiệt luyện hoặc ceramics Tuy nhiên khả năng chống mòn do hạt mài không tăng, thậm chí còn giảm khi tăng độ cứng của một số kim loại có khả năng biến cứng nguội lớn Vì vậy độ cứng sau chế tạo không đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mài và bề mặt mòn

* Mòn do ôxy hoá

Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ, các vết mòn kim loại trông nhẵn và sáng Mòn xảy ra với tốc độ thấp và các hạt mòn ôxits nhỏ được hình thành Bản chất của cơ chế mòn này là sự bong ra của các lớp ôxy hoá khi đỉnh các nhấp nhô

Trang 28

28

trượt lên nhau Sau khi lớp ôxy hoá bị bong ra thì lớp khác lại được hình thành theo một quá trình kế tiếp nhau liên tục Tuy nhiên theo Halling lớp màng ôxits

và các sản phẩm của tương tác hoá học với môi trường trên bề mặt tiếp xúc có khả năng ngăn ngừa hiện tượng dính của đỉnh các nhấp nhô Khi đôi ma sát trượt làm việc trong môi trường chân không thì mòn do dính xảy ra mạnh do lớp màng ôxits không thể hình thành được

so với áp lực làm việc của chi tiết máy (khoảng 15 đến 20 lần) và dụng cụ bị mòn theo nhiều dạng khác nhau

Phần cắt của dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mòn theo các dạng sau:

- Mòn theo mặt sau, hình 2.3 (a)

Trang 29

29

Hình 2.4 Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ hợp kim cứng với thể tích

Loladez cho rằng cơ chế hình thành vùng mòn mặt trước của dao hợp kim cứng khác với dao thép gió Bởi theo ông do hợp kim cứng có độ cứng nóng cao đến hàng nghìn độ C nên hiện tượng khuếch tán ở trạng thái rắn gây mòn với tốc

độ cao xảy ra trên mặt trước từ vùng có nhiệt độ cao nhất Như vậy mòn mặt trước có nguồn gốc do nhiệt

* Mòn dụng cụ phủ bay hơi

Theo nghiên cứu của R.J Talib, M.R.M Toff và H.M Ariff [6]: Đây là nghiên cứu khảo sát sự phát triển mòn của lớp phủ mũi khoan thép gió - molipden của mũi khoan 5mm phủ TiN, TiAlN và TiCN, gia công trên phôi thép cacbon trung bình Kiểm nghiệm đặc tính trên máy phay CNC trục quay với tốc

độ 1600 v/p, lượng chạy dao 20 mm/min Tấm thép cacbon dày 30mm được dùng làm phôi Độ sâu của lỗ khoan là 25mm Sau khi khoan sự thay đổi cấu trúc tế vi của lớp phủ trên mũi khoan được quan sát bằng máy hiển vi (SEM) Trong bài báo này độ mòn của mũi khoan được thảo luận Đặc biệt độ mòn của mũi khoan sẽ được căn cứ để điều chỉnh lớp phủ, chất dính kết và độ mòn nhiệt

Các hiện tượng mòn cơ bản được quan sát trong quá trình khoan: mài mòn, độ bám dính và nhiệt Trong một nghiên cứu khác Chen và các đồng nghiệp quan sát thấy rằng mòn dụng cụ cắt là do sự mài mòn cơ học bình thường

và không xảy ra trên mặt trước và rãnh xoắn của mũi khoan Sự bám dính là quá trình của sự biến dạng, đứt gãy của bề mặt liên kết và sự hình thành các lớp chuyển tiếp trên vùng mòn Ở đó độ bám dính như là một kết quả của sự dịch chuyển vật liệu bởi quá trình của mài mòn Độ bền mỏi của bề mặt cần lớn hơn một chu kỳ của ứng suất của quá trình cơ khí Sự mỏi bề mặt là kết quả của sự hình thành các rãnh, vết nứt tế vi và hình thành mỏi trên bề mặt, chỗ chuyển tiếp bóc tách vật liệu

Trang 30

30

Cơ chế mòn phần cắt của mảnh khoan: Mòn không tác động như là

một quá trình đơn Nhưng nó là sự hỗn hợp của mòn do bám dính, sự mài mòn, mỏi, va đập và ăn mòn Trong trường hợp chung, tất cả các mũi khoan đều chịu mòn cơ học biến đổi của một hỗn hợp các yếu tố khác nhau và sự gây mòn khác như số lỗ khoan hoặc việc tăng vận tốc cắt Đối với mũi khoan không phủ, điều

đó được thể hiện khi quan sát thấy sự nâng cao biên dạng lưỡi cắt sau 12 lỗ khoan Hiện tượng này là do ảnh hưởng của lực ma sát của 2 bề mặt đối tiếp Hình 2.5 cho thấy sự hình thành của việc nâng cao lưỡi cắt Phân tích EDAX thấy rằng thành phần của lưỡi cắt bao gồm cả các phân tử phủ (Ti, Al, N) và phân tử phôi (Fe) Ở đây quan sát thấy lớp phủ vẫn nguyên, các phân tử Fe trên lưỡi cắt bị khuyếch tán sang từ phôi

Hình 2.5 Kết quả phân tích EDAX lưỡi cắt mũi khoan phủ TiAlN

Tiếp theo quá trình khoan, xuất hiện các vảy có sự thâm nhập của vật liệu vào bề mặt bị hỏng ở đầu mũi khoan (hình 2.6) Phân tích EDAX thấy rằng xuất hiện sự hỏng của lớp phủ, chiếu vào vật liệu lớp nền của mũi khoan Chúng bao gồm các thành phần có độ nóng chảy cao hơn (Fe, W, V, Mo, Cr) Ở giai đoạn cuối của tuổi thọ mũi khoan quan sát được rằng biên dạng lưỡi cắt bị cùn đi, một phần vật liệu phoi dính vào lưỡi cắt (hình 2.7) Sự mài mòn của quá trình gia công được tìm thấy trong giai đoạn này Cuối cùng, mũi khoan không thể ăn sâu hơn nữa vào phôi là do sự mài mòn khốc liệt của mặt sau được nhìn thấy như trên hình 2.8

Trang 31

31

Hình 2.6 Vết nứt cơ khí (a) ảnh chụp SEM và (b) Kết quả phân tích EDAX bề

mặt dụng cụ

Hình 2.7 Cùn lưỡi cắt và mòn cơ khí Hình 2.8 Mòn mặt sau

Cơ chế bám dính phần cắt của mảnh khoan: Trong quá trình khoan,

đỉnh các nhấp nhô là đối tượng của các tiếp xúc lặp lại trong biến dạng dẻo Sau

đó, vật liệu ở đỉnh các nhấp nhô trở nên không bền và bị cắt đứt cục bộ (một phần), bị tách ra, hình thành lớp chuyển tiếp và bắt đầu phát triển như trong (hình 2.9) Sau đó, nó có dạng như 1 miếng vá Đây là một phần diễn ra trong quá trình khoan, có hai con đường chuyển tiếp của lớp màng trượt nguyên nhân

là do cấu tạo của các lớp chuyển tiếp trên cả hai mặt bên của các bề mặt trượt Trên hình 2.6 trình bày phân tích EDAX trên bề mặt của mũi khoan Nó cho ta thấy các lớp chuyển tiếp có thành phần bao gồm cả vật liệu của lớp phủ (Ti, Al,

C, N, Cr) và vật liệu của phôi (Fe, Mn, Cr) như trong bảng 2.1 Đây là một quá

Trang 32

32

trình đã biết nhƣ là sự hợp kim hoá của lớp chuyển tiếp đã đƣợc quan sát thấy trong các nghiên cứu khác của Chen và Rigney

Sự hình thành các lớp chuyển tiếp là sự nén chặt, sự dính và trƣợt của các mảnh vụn mòn và các mảnh vụn mới hình thành trong quá trình khoan Khi phoi cắt bị tác động có đủ độ bền liên kết với nhau thành các màng mỏng, các lớp mỏng này bao phủ lên cả hai bề mặt trƣợt Sau quá trình trƣợt, một vài hỗn hợp của lớp chuyển tiếp bị tách ra thành những mảnh vụn mòn, nhƣng tất cả những phần đó là phần dƣ của lớp mỏng chuyển tiếp Những lớp mỏng này tiếp tục bị mài mòn và cắt trên các bề mặt trƣợt, bao phủ các bề mặt bị hỏng và nói chung cuối cùng sự liên kết của các lớp trên bề mặt nhƣ hình 2.9(c)

Hình 2.9 Ảnh SEM mòn cơ khí mũi khoan phủ TiN

Hình 2.10 Ảnh SEM (a) mũi khoan phủ TiAlN, (b) phủ TiCN và (c) phủ TiN

Bảng 2.1 Kết quả phân tích thành phần trên bề mặt

Trang 33

33

Cơ chế nhiệt phần cắt của mảnh khoan: Trong quá trình khoan nhiệt

phát sinh là kết quả của ma sát trượt giữa mũi khoan và phôi nhất là khi lớp phủ mỏng bị lấy đi khỏi bề mặt của mũi khoan Việc tích nhiệt là bởi vì nhiệt độ tăng cao ở vùng tiếp xúc, do áp lực cao và nhiệt sinh ra cao hơn nhiệt ở vùng đó Kết quả của hiện tượng này là làm tập trung giãn nở nhiệt Phân tích EDAX thấy rằng chỉ các thành phần ferum và các bon bị mất đi một phần nhỏ trong kim loại Chúng có điểm nóng chảy 1538 và 5000 độ C, tương ứng trong khi đó các thành phần khác có điểm nóng chảy thấp như là Mn (12460

C), P (44,10C), Ni (14530C)

bị thoát ra và sẽ không thể phát hiện được bằng EDAX như trong hình 2.11

Hình 2.11 (a) ảnh chụp SEM và (b) Kết quả phân tích EDAX bề mặt dụng cụ

Hình 2.12(a) cho thấy rằng giãn nở nhiệt tập trung ở vị trí điểm cao hơn trên các bề mặt mòn và chúng trở thành vùng tiếp xúc của quá trình khoan Các vùng tiếp xúc nhỏ đó trở thành vùng chịu áp lực cao Chúng chính là vùng chịu tải trọng cao Nhiệt độ được duy trì tăng dần trong quá trình khoan cho đến khi ở

Trang 34

34

vùng tiếp xúc một vài nguyên tố bắt đầu bị bay hơi (hình 2.12 b) Nhiệt độ vùng tiếp xúc tăng lên mở đầu cho các ứng suất nhiệt Trong đó có thể thêm vào ứng suất cơ và làm cho tổng ứng suất tiếp xúc tăng lên Kết quả phát sinh các vết nứt nhiệt tế vi ở trên vùng tiếp xúc Trong quá trình khoan các vết nứt tế vi nhiệt lớn lên, lan truyền và cuối cùng liên kết với nhau tạo thành tổ hợp các vết nứt nhiệt

Theo Hendenqvist và Bromark kết luận rằng TiN nâng cao khả năng sử dụng dụng cụ bởi sự kết hợp độc đáo của lớp phủ với nền, độ cứng nóng của lớp phủ cao, khả năng chống mòn cao và khă năng cải thiện điều kiện tiếp xúc ở

Trang 35

35

vùng lưỡi cắt Theo họ thì TiN có những ưu điểm nổi bật như giảm ma sát, giảm dính và khuếch tán giữa vật liệu gia công và các bề mặt dụng cụ Theo Hendenqvist thì có hai cơ chế mòn chính xảy ra trên dụng cụ phủ TiN khi cắt thép đó là nứt, vỡ và bong ra của các mảnh TiN và mòn vật liệu nền

Nghiên cứu mòn dụng cụ phủ và không phủ khi phay thép với sự thay đổi tốc độ cắt và lượng chạy dao Cho thấy mòn do ma sát xuất hiện khi cắt ở tốc độ cắt thấp làm cho mũi dao không ổn định hình thành cùn dụng cụ ở bề mặt phân chia Gia công với lượng chạy dao cao là nguyên nhân gây ra ứng lực trên dụng

cụ, kết quả mũi dụng cụ bị mòn

Fenske và đồng nghiệp sử dụng dao tiện T15 cắt thép 1045 với vận tốc cắt 100m/phút đã phát hiện cơ chế mòn chủ yếu là sự gãy, vỡ của lớp phủ khi nền thép gió bị giảm độ cứng do nhiệt độ cao Mòn liên tục của lớp phủ ở gần vùng mòn mặt trước hầu như không đáng kể, điều đó nói nên rằng khả năng chống mòn do hạt mài và mòn hoá học của TiN là rất cao Theo họ thì sự gãy vỡ của lớp phủ trên mặt trước là do nhiệt độ cao phát triển và làm giảm độ cứng của nền Quá trình gãy vỡ xảy ra theo 3 giai đoạn như trên hình 2.13

Hình 2.13 Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ phủ

Giai đoạn 1: Ma sát giữa phoi và lớp phủ sinh nhiệt truyền vào dụng cụ Giai đoạn 2: Dưới tác dụng của ứng suất pháp và tiếp cùng nhiệt độ cao dưới lớp phủ, nền bị biến dạng dẻo làm cho lớp phủ bị nứt, vỡ bộ phận sau đó bị cuốn đi cùng với dòng phoi làm cho nền bị lộ ra Ma sát và nhiệt độ của vùng này tiếp tục tăng lên

Giai đoạn 3: Vùng mòn mặt trước xuất hiện Nền của lớp phủ gần vùng mòn tiếp tục bị giảm độ cứng làm cho lớp phủ tiếp tục bị nứt, vỡ và cuốn đi theo phoi Vùng mòn mặt trước phát triển rộng dần

Trang 36

36

* Cách xác định mòn

Hình 2.14 Các thông số đặc trưng cho mòn mặt trước và mặt sau

Mòn mặt trước và mặt sau của dụng cụ có thể tính toán gần đúng như sau:

Vw = V.B2ave.b.tg/2 Trong đó: V Bave là chiều cao trung bình của vùng mòn

Thể tích mòn mặt trước:

Vct = 2b(KB – KF)KT/3 Các kích thước dùng để xác định mòn chỉ ra trên hình 2.14 có thể đo bằng kính hiển vi dụng cụ hoặc thiết bị quang học khác hoặc bằng phương pháp chụp ảnh Ngoài ra người ta còn đo khối lượng dụng cụ và sử dụng phương pháp đo radiotracer (phương pháp đồng vị phóng xạ) để xác định

Hình 2.15 Hình ảnh mòn mặt trước và mặt sau khi chụp trên kính hiển vi điện tử

Trang 37

37

Theo nghiên cứu của Lijing Bai a, b

, Xiaodong Zhu a, Jiming Xiao b, Jiawen He a, * [16] : Nghiên cứu về mòn của lớp phủ CrTiAlN khi khoan khô cho thấy dưới điều kiện cắt khô, nhiệt cắt tích lại và dẫn đến mòn mãnh liệt lưỡi cắt do nhiệt thể hiện ở hình 2.16

Hình 2.16 Hình ảnh mòn lớp phủ CrTiAlN khi khoan khô

Hình 2.17 Biểu đồ mòn khi so sánh với mũi khoan phủ 1 lớp TiN

So sánh với mũi khoan không được phủ và mũi khoan được phủ 1 lớp TiN, khi khoan thép 1045, số lần cắt trung bình của lớp phủ CrTiAlN là 209, tăng 19 và 2,3 lần

Trang 38

38

Hình 2.18 Biểu đồ về sự bền nhiệt của lớp phủ CrTiAlN

Những kết quả cho thấy, không có sự thay đổi khi nâng nhiệt độ kiểm tra tới 6000

C và cho thấy độ bám dính giữa lớp phủ và vật liệu nền là tốt Ở nhiệt độ

9000Ckích thước vết lõm tăng và xuất hiện mòn

Phân tích từ XRD (quang phổ vạch) cho thấy thành phần chính của lớp phủ gồm: Cr, Cr2N và CrN Ở nhiệt độ 6000C cơ tính của CrN tăng nhưng cơ tính của Cr2N giảm Như đã biết tính chống oxi hóa của Cr2N, CrN tốt hơn TiN,

độ bền nhiệt của hợp chất làm tăng độ cứng ở nhiệt độ cao Ở nhiệt đô 9000

C xuất hiện các oxit Cr2O3 và Fe2O3, Al2O3 và Cr2O3 Mặc dù lớp oxit này làm tăng

độ cứng, nhưng lớp phủ giòn và dễ phân lớp khi quan sát bằng SEM Vì vậy không nên gia công ở nhiệt độ này

* Các dạng mòn của mũi khoan

Nguyên nhân làm mũi khoan bị mòn là do ma sát cơ học và do hiệu ứng nhiệt Trong đó có ma sát giữa mặt sau của mũi khoan với bề mặt chi tiết gia công; ma sát giữa phoi với mặt trước, giữa cạnh viền với mặt đã gia công, giữa lưỡi cắt ngang với lớp kim loại nằm phía trước

Mũi khoan thường hay bị mòn ở các bộ phận sau (hình 2.19):

- Mòn theo mặt sau và mặt trước: Xảy ra khi gia công thép

- Mòn theo cạnh viền: Xảy ra khi gia công vật liệu dẻo hoặc thép có độ bền và độ dai lớn Cạnh viền bị mòn làm tăng mô men xoắn M

- Mòn theo góc nối tiếp giữa lưỡi cắt chính với cạnh viền: Xảy ra khi gia công vật liệu giòn, vật liệu kém dẻo Dẫn tới cả lực cắt P và mô men xoắn M đều tăng

- Mòn ở lưỡi cắt ngang: Xảy ra khi lưỡi cắt ngang quá dài và nhiệt luyện mũi khoan không đạt yêu cầu Lưỡi cắt ngang bị mòn dẫn tới lực chiều trục P tăng lên rất nhanh

Trang 39

39

Hình 2.19 Các dạng mòn của mũi khoan 2

2.2.2 Tuổi bền của dụng cụ

2.2.2.1 Khái niệm

Tuổi bền của dụng cụ là thời gian làm việc liên tục của dụng cụ giữa hai lần mài sắc, hay nói cách khác tuổi bền của dụng cụ là thời gian làm việc liên tục của dụng cụ cho đến khi bị mòn đến độ mòn giới hạn [hs] Tuổi bền của dụng cụ cắt có ảnh hưởng lớn đến tính kinh tế trong gia công cắt Tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc chính vào yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công Vì thế các phương pháp dự đoán tuổi bền cơ bản có ý nghĩa cho mục đích so sánh

Phương trình cơ bản của tuổi bền là phương trình Taylor:

V.Tn = Ct

Trong đó: T là thời gian (phút)

V là vận tốc cắt (m/phút)

Ct là hằng số thực nghiệm

Phương trình Taylor mở rộng bao gồm cả ảnh hưởng của lượng chạy dao

và chiều sâu cắt được viết như sau:

V.Tn.sa.tb = Kt

Trang 40

40

Với dụng cụ thép gió các số mũ n = 0,17; a = 0,77 và b = 0,37 T đo bằng phút, V đo bằng ft/min, s và t đo bằng inches

Trong trường hợp vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt được sử dụng như là các thông số độc lập thì mô hình toán học bậc nhất có dạng:

LnT = bo + b1lnV + b2lnS + b3lnt

Mô hình bậc hai có dạng:

LnT = bo + b1lnV + b2lnS + b3lnt + b11(lnV)2 + b22(lnS)2 + b33(lnt)2+ b12(lnV).(lnS) + b13(lnV).(lnt) + b14(lnS).(lnt)

Trong thực tế tuổi bền của dụng cụ thường bị phân tán vì các lý do sau đây:

- Sự thay đổi độ cứng, cấu trúc tế vi, thành phần hoá học và các đặc tính

bề mặt của phôi

- Sự thay đổi của vật liệu dụng cụ, thông số hình học và phương pháp mài

- Sự dao động của hệ thống máy, dao, công nghệ

2.2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền

* Chế độ cắt

Hình 2.20 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mòn mặt trước và mặt sau của dao

thép gió S12-1-4-5 dùng tiện thép (AISI C1045) t = 2mm

Thông số hình học của dụng cụ cắt:  = 8 0 ,  = 10 0 ,  = 90 0 ,  = 60 0 , r = 1mm,

thời gian cắt T = 30 phút

Chế độ cắt đặc biệt là vận tốc cắt và lượng chạy dao là tác nhân ảnh hưởng tới tuổi bền mạnh nhất Hình 2.20 là một trong những kết quả thí nghiệm của Opitz và Konig được Trent đưa ra

* Vai trò của lớp phủ cứng trong việc tăng tuổi bền của dụng cụ

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	6 MB