Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến quá trình tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Trần Trung Sơn Học viên: Lớp Cao học K16 Đơn vị công tác: Trường Trung cấp nghề Hà Tĩnh Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến quá trình tiện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Trung Sơn

Học viên: Lớp Cao học K16

Đơn vị công tác: Trường Trung cấp nghề Hà Tĩnh

Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính mũi dao đến quá trình

tiện cứng thép ổ lăn bằng dụng cụ PCBN”

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

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 nhữngphần tham khảo đã được ghi rõ trong Luận văn./

HỌC VIÊN

Trần Trung Sơn

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật Côngnghiệp Thái Nguyên, em đã được các thầy cô giáo trong trường tạo điều kiện,chỉ bảo, giúp đỡ tận tình để truyền đạt các kiến thức chuyên môn

Để hoàn thành được Luận văn này, trước hết em xin tỏ lòng biết ơn sâusắc và chân thành tới TS Nguyễn Thị Quốc Dung, người đã tận tình hướngdẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Côngnghiệp, Phòng Đào tạo, Trung tâm thực nghiệm - Khoa Cơ khí cùng các thầytrong Bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quátrình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn này

Em cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu trường Trung cấpnghề Hà Tĩnh nơi em đang công tác, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp

đỡ em trong suốt thời gian qua

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không thể tránhkhỏi sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo,các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp để bản thân em cũng như Luận vănđược hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

HỌC VIÊN

Trần Trung Sơn

a: chiều dày lớp kim loại bị cắt

ap: chiều dày phoi

Kf: mức độ biến dạng của 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

 : góc trượt

r: bán kính mũi dao

 (hay  n) : góc trước của dao

Fz (hay Fc): lực tiếp tuyến khi tiện

Fy (hay Fp): lực hướng kính khi tiện

Fx: lực chiều trục khi tiện

S: lượng chạy dao (mm/vòng)

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iv MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Giới thiệu về tiện cứng 1

2 Nội dung nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Dự định kết quả 3

CHƯƠNG I : BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG

4 1.1 Bản chất vật lý 4

1.1.1 Quá trình cắt và tạo phoi 4

1.1.2 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng .

10 1.2 Lực cắt khi tiện 13

1.2.1 Lực cắt khi tiện và các thành phần lực cắt .

13 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện

17 1.2.2.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt 17

1.2.2.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt

18 1.2.2.3 Ảnh hưởng của vật liệu gia công 18

1.2.2.4 Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng 19

1.2.2.5 Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r

21 1.2.2.6 Ảnh hưởng của mòn dụng cụ cắt 22

1.3 Nhám bề mặt 22

1.3.1 Bản chất của lớp bề mặt 23

1.3.2 Tính chất lý hoá của lớp bề mặt 24 1.3.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng 26

1.3.3.1 Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt 26

1.3.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ cắt 27 1.3.3.3 Ảnh hưởng của lượng chạy dao 28

vi i

1.3.3.4 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 29

1.3.3.5 Ảnh hưởng của vật liệu gia công 29

1.3.3.6 Ảnh hưởng của rung động trong hệ thống công nghệ 30

1.4 Kết luận 30

CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 31

2.1 Mục đích thí nghiệm 31

2.2 Thiết bị thực hiện thí nghiệm 31

2.2.1 Máy thí nghiệm 31

2.2.2 Phôi thí nghiệm 32

Hình 2.2 Hình ảnh các phôi thí nghiệm 32

2.2.3 Các dụng cụ đo kiểm 33

2.2.4 Dụng cụ cắt .34

2.2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 35

2.2.6 Cơ sở lý thuyết của mô hình thí nghiệm 35

2.3 Tiến trình thí nghiệm 39

2.4 Kết luận 39

CHƯƠNG III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Kết quả đo thực nghiệm 40

3.2 Đánh giá kết quả thực nghiệm 41

3.2.1 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến Ra 41

3.2.2 Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực dọc trục Fx 44

3.3.3 Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực hướng kính Fy 46

3.3.4 Ảnh hưởng của các yếu tố đến lực tiếp tuyến Fz 49

3.3.5 Tối ưu hóa đa mục tiêu 53

3.3.5.1 Các bước tối ưu hóa sử dụng phân tích quan hệ xám (Grey Relational Analysis – GRA) .53

3.3.5.2 Thực hiện các bước của lý thuyết 56

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 63

4.1 Kết luận chung 63

4.2 Khuyến cáo 63

4.3 Ý nghĩa khoa học 64

4.4 Ý nghĩa thực tiễn 64

4.5 Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của máy 31

Bảng 2.2: Thành phần hóa học các nguyên tố .33

Bảng 2.3: Chế độ nhiệt luyện .33

Bảng 2.4 Sơ đồ thí nghiệm theo thiết kế Taguchi L9 38

Bảng 3.1 Kết quả độ nhám Ra, Fx, Fy, Fz và tỉ số SN của chỉ tiêu 40

Bảng 3.2 ANOVA trị số Ra 41

Bảng 3.3 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám trung bình 42

Bảng 3.4 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Ra 43

Bảng 3.5 ANOVA trị số Fx 44

Bảng 3.6 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực dọc trục trung bình 44

Bảng 3.7 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fx 45

Bảng 3.8 ANOVA trị số Fy 46

Bảng 3.9 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực cắt hướng kính trung bình Fy 47

Bảng 3.10 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fy 48

Bảng 3.11 ANOVA trị số Fz 49

Bảng 3.12 Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đến lực tiếp tuyến trung bình Fz 50

Bảng 3.13 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fz 51

Bảng 3.14 Trị số S/N và giá trị chuẩn hóa Zij của SN 56

Bảng 3.15 Độ sai lệch  j (k) của dãy tham chiếu .57

Bảng 3.16 Trị số quan hệ xám ứng với các thông số đầu ra và trị số quan hệ xám trung bình .58

Bảng 3.17: Hệ số quan hệ GRA  0i (k) 59

Bảng 3.18 ANOVA trị số quan hệ xám 60

Bảng 3.19 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ xám .60

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi 4

Hình 1.2: Miền tạo phoi 6

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau 7

Hình 1.4: Tính góc trượt  8

Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi 9

Hình 1.6 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi 10

Hình 1.7 Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 .11

Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi 13

Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện 14

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN 15

Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt 17

Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao TDGN160304S2501, TDGN160308S1501 20

Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt 21

Hình 1.14 Chi tiết bề mặt vật rắn 24

Hình 1.15 Ảnh hưởng của thông số hình học của dao tiện tới độ nhám bề mặt 27

Hình 1.16 Ảnh hưởng của tốc độ cắt tới nhám bề mặt khi gia công thép 27

Hình 1.17 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 29

Hình 2.1 Máy tiện CS-460x1000G 32

Hình 2.2 Hình ảnh các phôi thí nghiệm 32

Hình 2.3 Đầu đo lực Kistler 9257BA 33

Hình 2.4 Máy đo độ nhám SJ-201 của hãng Mitutoyo – Nhật Bản .34

Hình 2.5 Mảnh dao tiện PCBN 34

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 35

Hình 3.1 Thiết kế thí nghiệm Taguchi .40

Hình 3.2 Ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám trung bình 42

Hình 3.3 Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Ra 43

Hình 3.4 Ảnh hưởng của các thông số đến Fx trung bình .44

Hình 3.5 Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fx 46

Hình 3.6 Ảnh hưởng của các thông số đến Fy trung bình .47

Hình 3.7 Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fy 49

Hình 3.8 Ảnh hưởng của các thông số đến Fz trung bình 50

Hình 3.9 Ảnh hưởng của các thông số đến tỉ số SN của Fz 52

Hình 3.10 Hệ số quan hệ GRA theo thứ tự thí nghiệm 59

Hình 3.11 Ảnh hưởng của các thông số đến trị số quan hệ GRA trung bình .61

cơ khí khác.

Trong tiện cứng chính xác, một điều quan trọng được xét đến đó là hạnchế tối đa sự mài mòn dụng cụ cắt nhằm duy trì độ chính xác hình dạng và bềmặt cho sản phẩm, hạn chế thời gian thay dụng cụ cắt tránh sai số Sự màimòn dụng cụ không chỉ làm giảm trực tiếp độ chính xác hình học mà còntăng đáng kể lực khi cắt, tăng nhám bề mặt Sự thay đổi lực cắt cũng lànguyên nhân làm cho dụng cụ chuyển động không ổn định, làm dẫn đến giảm

độ chính xác Mặt khác, bán kính mũi của dụng cụ cũng quan trọng trongviệc xác định độ nhám của bề mặt, lực gia công Dụng cụ với bán kính mũilớn sẽ cho bề mặt nhẵn hơn thông thường Khi đó, bán kính mũi dụng cụđóng vai trò quan trọng việc quyết định hình dạng mặt cắt ngang kết hợp với

độ sâu cắt và tốc độ dẫn tiến Do đó, bán kính mũi liên quan rất chặt chẽ đếnchất lượng bề mặt Có thể xem xét rằng bán kính mũi dụng cụ đóng vai tròquan trọng không chỉ trong việc xác định độ nhám bề mặt mà còn trong biếndạng chảy dẻo nhiệt của phôi trong quá trình tiện cứng Hiện nay, dụng cụ cắtCBN khá đắt, do đó, nhằm đảm bảo hiệu suất làm việc đủ cao với giá thànhthấp, tối ưu hóa hình dạng dụng cụ cắt là cần thiết

Với việc sử dụng ngày càng phổ biến của các loại thép hợp kim có độbền và độ cứng cao trong ngành cơ khí chế tạo, cùng với sự ra đời và phát

triển của các loại dụng cụ cắt siêu cứng và các máy gia công tự động, côngnghệ tiện cứng đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt Việc áp dụng côngnghệ tiện cứng để gia công lần cuối các chi tiết mang lại những lợi ích sau:

- Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị

- Tăng độ chính xác

- Đạt độ bóng bề mặt cao

- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 – 4 lần so với mài), nângcao năng suất gia công

- Gia công được các bề mặt phức tạp

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

- Có thể chọn gia công có hoặc không có dung dịch trơn nguội Giacông khô giảm được chi phí cho dung dịch trơn nguội và không thải chất thải

ra môi trường

Trên cơ sở phân tích trên, tác giả chọn đề tài:

“NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH MŨI DAO ĐẾN QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG THÉP Ổ LĂN BẰNG DỤNG CỤ PCBN”

2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khitiện cứng và đặc điểm quá trình tiện cứng

- Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của bán kính mũi dao tới nhám

bề mặt, lực cắt khi sử dụng dụng cụ PCBN tiện tinh thép ổ lăn

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm Nghiên cứutổng quan về các vấn đề liên quan đến tiện cứng từ đó rút ra vấn đề địnhhướng cho nghiên cứu về nhám bề mặt, lực cắt

Tiến hành các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm sử dụng mảnh daoPCBN tiện tinh thép ổ lăn để xác định nhám bề mặt, lực cắt và mòn dụng cụkhi sử dụng dao có bán kính mũi khác nhau

CHƯƠNG I BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN CỨNG

1.1 Bản chất vật lý

Trong quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượngvật lý xảy ra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng,biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến công tiêuhao trong quá trình cắt gọt, lực cắt, độ mòn của dụng cụ, chất lượng bề mặtcủa chi tiết gia công

1.1.1 Quá trình cắt và tạo phoi

Quá trình cắt kim loại là quá trình 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 (Chuyển động làm việc): Với tiện đó là chuyệnđộng 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 6

Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo

ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bị giacông

Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằnglớp kim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy (hình1.1)

a b.

Hình 1.1: 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 daođược giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi Dưới tác dụngcủa lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo Khi ứngsuất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiệnhiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE) Trong quá trình cắt,vùng phoi một 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 phoi tiếp xúc với mặt sau của dao

- Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi đểhình thành phoi

Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổchức hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như không xảy ra.Quá trình 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

số của công cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn củadao (tuổi thọ của dụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rấtnhiều vào quá trình tạo phoi

Khi cắt do tác dụng của lực P (Hình 1.1), 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 trạngthái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớpkim 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 kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhấtđịnh, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng Khuvực này được gọi là miền tạo phoi (Hình 1.2)

Hình 1.2: Miền tạo phoi

Trong miền này (như sơ đồ hoá hình 1.1) có những mặt trượt OA, OB,

OC, OD, OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt có ứngsuất tiếp có giá trị cực đại)

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

và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi

Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao

Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạophoi, khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát vớimặt trước của dao

Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao(hình 1.1) 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 tua

Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều Mức độ biến dạng của

Ở đây:

Kf = Kbd + Kms (1 –1)

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

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

Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằmphía dưới đường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo.

Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu giacông và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…)

Vận tốc cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miền tạo phoi Tăngvận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại Hiện tượng đó có thế được giải thíchnhư sau :

Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi vớitốc độ nhanh hơn Khi di chuyển với vận tốc 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’ Tương tự nhưvậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’chậm hơn so với OE (hình 1.3)

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau

Như vậy ở vận tốc cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’; A’OE’ quay đimột góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi sovới trước (a’1 < a1) vì biến dạng dẻo giảm đi

Khi vận tốc cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộngcủa nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet Trong trường hợp đó sự biếndạng của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF Do đó để chođơn giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắtxảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyểnđộng của dao 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.

Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi

Khi Vc tăng từ V1 đến V2 biến dạng của phoi giảm

Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng,biến dạng của phoi tăng Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làmtăng góc trước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễdàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt giá trị cực tiểu tại B ứng với Vc =

V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất)

Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớnhơn

Khi Vc tăng từ V2 ÷ V3 biến dạng của phoi tăng

Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần,dẫn đến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng Khi Vc tăng,

hệ số ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm Kết hợp hai ảnhhưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng biến dạng củaphoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn)

Khi Vc > V3: lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rấtcao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sátgiữa phoi và mặt trước giảm, K giảm

Khi Vc > 200 ÷ 300 m/f hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biếndạng của phoi hầu như không thay đổi

Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao,phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt

Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăngchiều dày trung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong thamgia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau củachúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như thẳng góc với lưỡi cắt)làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6.

Hình 1.6 Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi

1.1.2 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng

Trong tiện cứng, quá trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rấtphức tạp, chủ yếu do độ cứng của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháptốt nhất vẫn là sử dụng mảnh dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt… đặc biệtcao Tiêu biểu cho nhóm này là các mảnh CBN, PCBN …

Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạophoi lý thuyết khi gia công thép tôi

- Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫnđến sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi

- Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳtrên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt

Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt

Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắtgiảm khi tăng độ cứng trong dải này Điều này được giải thích là khi độ cứngcủa vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm

độ bền của vật liệu gia công dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếpxúc giữa phoi và mặt trước Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt.

Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50 HRC, phoi sẽchuyển từ phoi dây sang phoi dạng răng cưa và lực cắt tăng lên Khi tăng

độ cứng, góc tạo phoi tăng và chiều dày của phoi giảm Khi độ cứng tăng,tồn tại hai yếu tố trái ngược ảnh hưởng đến cơ chế tạo phoi đó là tăng độbền của vật liệu gia công do tăng độ cứng và giảm độ bền của vật liệu giacông do tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi

Khi độ cứng tiếp tục tăng, vật liệu gia công trở nên giòn hơn và yêu cầunăng lượng cắt nhỏ hơn Khi gia công vật liệu giòn, biến dạng nứt trở nên nhỏhơn và khi nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt sẽ trở nên thịnh hành vàhiện tượng trượt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trượt chỉ ra trên hình 1.Khi hiện tượng này xảy ra, nhiệt độ trong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầugiảm Một điều cần lưu ý là phoi dạng răng cưa xuất hiện khi gia công phôi có

độ cứng thấp hơn nhưng với vận tốc cắt cao hơn Điều này chứng tỏ cơ chếtạo phoi được điều khiển bởi sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vậtliệu gia công và mối quan hệ giữa hai yếu tố này với nhiệt độ trong vùng cắt.Hình 1.7 chỉ ra 3/4 giai đoạn hình thành phoi răng cưa khác nhau

Hình 1.7 Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với

V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô.

Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt giá trị tới hạn trong vùng tạo phoi mộtvệt nứt đột nhiên xuất hiện và phát triển gần đến lưỡi cắt Chiều dài của vếtnứt là rất quan trọng và có thể so sánh với chiều dày của phoi khi biến dạngkhông xảy ra Tất nhiên vết nứt xuất hiện trước khi phoi răng cưa được hìnhthành.

Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, vùng phoi giữa vết nứt vàcạnh viền sẽ bị đẩy lên không kèm theo biến dạng và vết nứt sẽ bị khép lại khidụng cụ tiến lên phía trước và chiều cao của phoi giảm xuống Tốc độ trượtcủa phoi trên mặt trước lớn đến mức mà có thể tạo ra nhiệt độ cao gần điểm

A3 vì thế Máctensít sinh ra do ma sát giữa các lớp phoi thể hiện ở dạng lớptrắng bao quanh mảnh phoi được hình thành Hơn nữa một lớp trắng tương tự

sẽ sinh ra trên bề mặt gia công do ma sát rất lớn giữa mặt sau của dụng cụ với

bề mặt gia công có nguyên nhân là lực hướng kính Py rất lớn

Giai đoạn 3: Khi chiều rộng của khe hở trở nên hẹp tới mức mà tốc độbật ra và biến dạng dẻo của phoi là rất lớn Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hailớp trắng trên phoi và trên bề mặt phân cách giữa phoi và bề mặt gia công kếthợp lại tạo nên phần thứ hai của phoi răng cưa Do ở đây chiều dày của phoirất nhỏ và tốc độ nguội rất cao vì thế hiện tượng chuyển đổi trong vùng này là

“adiabatic”

Giai đoạn 4: Mảnh phoi răng cưa hình thành và thực tế điền vào chỗtrống tồn tại giữa vết nứt và mặt trong của phoi do biến dạng dẻo Sự phân bốứng suất nén đã giảm trong giai đoạn 2 và 3 lại trở nên quan trọng và tạo nênvết nứt mới cho một chu kỳ tạo mảnh phoi vụn mới [14]

Dạng phoi được hình thành phụ thuộc vào sự cân bằng giữa vận tốc cắt

và độ cứng của vật liệu gia công và mối liên hệ giữa hai thông số này vớinhiệt độ sinh ra trong vùng cắt Hình 1.8 sự ảnh hưởng của tỷ số HVphoi /

HVphôi (Tỷ số giữa độ cứng lớn nhất đo trên phoi và độ cứng của phôi banđầu) đến dạng phoi hình thành Kết quả thí nghiệm cho thấy biến cứng ảnhhưởng lớn đến sự hình thành phoi khi độ cứng của phôi tăng hoặc vận tốc cắtthấp [14]

Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi

lý thuyết quá trình cắt Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắtthì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng Điều đó có nghĩa là một mặtlực cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại sự tách phoi, mặt khác lực cắt dodụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [4], [6]

Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời giangia công thì lực 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

F y z

Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chitiết gia công Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng khôngbởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biếndạng phần tử khác [4], [6]

Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hình 1.9 Lực tổng hợp

F được phân tích thành ba thành phần lực bao gồm : lực tiếp tuyến Fz (hay

Fc), lực hướng kính Fy (hay Fp) và lực chiều trục (lực ngược với hướngchuyển động chạy dao) Fx

Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện

Thành phần lực Pz 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 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 Fx 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:

2

F  x  F 2 F 2 (1- 5)Trường hợp tổng quát các thành phần lực này không thuần nhất Trị sốcủa Fz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặt

trước của dao Còn lại Fx, Fy 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, …

Lực cắt khi gia công vật liệu có độ cứng cao không cao hơn so với khigia công vật liệu có độ cứng thấp trong cùng điều kiện Góc tạo phoi lớn vàphoi dạng răng cưa do tính dẻo của vật liệu gia công kém làm giảm lực cắtmặc dù độ bền của vật liệu cao Khi gia công thép 0,25% các bon thay đổi độcứng đến HV500 sử dụng dao có góc trước 0o, lực cắt hầu như độc lập với độcứng Mặt khác khi sử dụng góc trước -20o, khi tăng độ cứng của phôi cả lựccắt và lực hướng kính đều giảm Tăng góc trước âm có tác dụng làm tăngthành phần lực cắt hướng kính đáng kể [4]

Khi tiện thép thấm các bon, ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBNvới  = - 6o và  = 0o, các thành phần lực cắt Fz và Fy tăng nhanh theo chiềudài cắt còn thành phần Fx tăng hầu như không đáng kể theo chiều dài cắt.Thành phần lực cắt Fy luôn là thành phần lớn nhất do góc trước âm lớn biếnđổi dọc theo bán kính của lưỡi cắt chỉ ra trên hình 1.10 [10]

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm

Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN

với  = - 6 o và  = 0 o

Liu và đồng nghiệp [12] được sử dụng dao PCBN – L với 60% CBN

và TiN làm chất dính kết khi gia công thép vòng bi tôi cứng đến 60 ÷ 64HRC Họ đã phát hiện ra rằng lực cắt giảm dần khi tăng độ cứng của vật liệugia công đến 50 HRC Khi độ cứng vượt quá 50 HRC phoi dây dạng răng cưaxuất hiện và lực cắt tăng đột ngột Độ cứng 50 HRC gọi là độ cứng tới hạnvới tiêu chí lực cắt tối thiểu

Vấn đề bôi trơn làm nguội tối thiểu so với cắt khô và bôi trơn làmnguội tràn đã được Varadarajan và đồng nghiệp nghiên cứu [16] khi tiện thép

có độ cứng 46 HRC sử dụng dao các bít phủ TiC, TiN, TiCN Các kết quả chỉ

ra rằng bôi trơn, làm nguội tối thiểu có ưu điểm vượt trội so với tiện khô hoặcbôi trơn, làm nguội thông thường trên khía cạnh về lực cắt, độ nhám bề mặtsau gia công, hệ số co rút phoi, chiều dài tiếp xúc phoi và mặt trước và tuổibền dụng cụ

Theo Diniz.A.E và đồng nghiệp [13], tiện cứng thường thực hiện trongmôi trường khô vì nhiệt độ cao làm cho phoi biến dạng và trượt dễ hơn Tuynhiên nhiệt độ cao lại làm cho phôi dễ bị biến dạng, ảnh hưởng tới độ chínhxác hình học, kích thước và chất lượng tích hợp bề mặt Trong nghiên cứu của

họ đã sử dụng dao PCBN tiện thép AISI 52100 tôi cứng đạt 58 ÷ 60 HRC vớivận tốc cắt từ 110 ÷ 175 m/p; s = 0,08 mm/v; t = 0,3 mm trong môi trườngkhô, bôi trơn/làm nguội bằng tưới tràn và bôi trơn làm nguội tối thiểu Kếtquả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng trong môi trường cắt khô và tối thiểu mònmặt sau luôn nhỏ hơn khi bôi trơn/làm nguội tưới tràn; độ nhám bề mặt hầunhư không thay đổi khi cắt trong cả ba môi trường Từ đây có thể thấy môitrường cắt khô là tốt nhất trên khía cạnh giảm mòn, độ nhám bề mặt thấp vàtiết kiệm chi phí chất bôi trơn/làm nguội Trái lại các nghiên cứu thực tế củaKoefer cho thấy sử dụng dung dịch làm nguội ở dạng sương mù hay áp suấtcao có tác dụng làm tăng tuổi bền của dao khi tiện cứng và dầu không nên sửdụng trong tiện cứng do nhiệt độ ở vùng cắt cao (tới 1700oF)

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện

Lực cắt trong quá trình gia công nói chung và khi tiện nói riêng đềuchịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như vật liệu gia công, thông sốhình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt v.v…

Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt

- Để nâng cao năng suất cắt, giảm công tiêu hao trong quá trình cắt gọt

ta nên cắt ở vận tốc cắt cao Vc > V3 Nên đường cong phía bên phải của đồ thịmang ý nghĩa thực tế

x y

n1, n2 , n3 là số mũ biểu thị ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt, phụthuộc vào điều kiện gia công

Khi gia công thép bằng dao HKC:

n1 = 0,1 ÷ 0,26; n2 = 0,18 ÷ 0,20; n3 = 0,22 ÷ 0,40

1.2.2.2 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 Fx, Fy và Fz ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt có thể tínhbằng công thức chung sau [6]:

1.2.2.3 Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Vật liệu chi tiết gia công có ảnh hưởng rất nhiều tới lực cắt, vật liệu chitiết gia công khác nhau thì [  ]dh, [ ]b khác nhau do đó lực để ra biến dạngchúng cũng khác nhau Vật liệu chi tiết gia công khác nhau thì hệ số ma sátvới dụng cụ cắt cũng khác nhau, vì vậy lực cắt cũng khác nhau

B z

q

Đối với thép [ ]b càng lớn lực cắt càng lớn

Đối với gang độ cứng HB càng lớn lực cắt càng lớn

Trong thực nghiệm người ta tìm được thành phần Fz  f ( b , HB) qua

cáccông thức gần đúng sau: F  Cv.

F z  C v .HB

Khi gia công thép có HB  170 lấy q = 0,35; HB > 170 lấy q = 0,75 Với gang lấy q = 0,55 Nói cách khác, độ cứng và độ bền vật liệu giacông càng cao, lực cắt càng lớn Quan hệ phụ thuộc này có thể được biểu thịbằng công thức tỷ lệ, nếu HB’ tương ứng P’, còn HB” tương ứng F”

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 có HB’

Nói chung lực cắt khi gia công thép lớn hơn khi gia công gang 1,5  2 lần

1.2.2.4 Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng

Khi gia công cùng một loại vật liệu, vật liệu làm dụng cụ cắt khác nhauthì biến dạng của phoi cũng khác nhau, lực ma sát giữa mặt sau của dụng cụcắt với phôi, mặt trước của dụng cụ cắt cũng khác nhau

Mặt khác trong vùng tiếp xúc giữa dụng cụ cắt với phoi và chi tiết giacông còn xảy ra các mối tương tác hoá lý rất phức tạp Do đó vật liệu làmdụng cụ cắt khác nhau, lực cắt khác nhau

Thực nghiệm cho thấy khi gia công thép bằng dụng cụ cắt vật liệu làHKC lực cắt chỉ bằng 90 ÷ 95 % so với dụng cụ cắt thép gió Khi cắt bằngdụng cụ cắt vật liệu sứ lực cắt chỉ bằng 88 ÷ 90 % khi cắt bằng dao thép gió

Theo Trent [14], CBN là loại vật liệu không tồn tại trong tự nhiên.CBN có các tính chất cơ lý tuyệt diệu đó là: độ bền nóng cao, có khả năng

duy trì hình dạng ở nhiệt độ cao, độ cứng ở nhiệt độ trong phòng cao từ (4000

÷ 5000 HV) phụ thuộc vào hướng của bề mặt đo độ cứng và hướng mạng tinh

thể Một lượng nhỏ kim loại hoặc ceramics được trộn với Nitritbo tạo nênCBN Độ cứng của CBN giảm khi nhiệt độ tăng nhưng vẫn cao hơn tất cảnhững vật liệu dụng cụ khác làm cho loại vật liệu này có thể cắt vật liệu có độcứng cao với vận tốc cắt cao kết hợp với khả năng chống mòn do cào xước vàkhả năng chống tương tác với sắt thép cao Độ dẫn nhiệt của PCBN khoảng

100 W/moC Mảnh dao CBN có hai loại:

- Các lớp mỏng với chiều dày < 5 mm được gắn lên thân các bít

- Cả khối CBN

Các tính chất và khả năng sử dụng của dụng cụ PCBN chủ yếu phụ thuộc vào

độ cứng rất cao của Nitritbo nhưng pha thứ hai đóng vai trò quan trọng Hàmlượng pha thứ hai càng cao thì tuổi bền của dụng cụ càng cao đặc biệt khi giacông tinh với lượng chạy dao và chiều sâu cắtt nhỏ Khi gia công thô tuổi bềncủa dao tăng khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng pha thứ hai thấp [11,14]

Có thể chia CBN thành hai nhóm:

- Nhóm có thành phần CBN cao khoảng 90 % (CBN – H) sử dụng chất dính kết kim loại

- Nhóm có thành phần CBN thấp khoảng 50 ÷ 70 % (CBN – L) sử dụngceramics làm chất kết dính

Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao TDGN160304S2501,

TDGN160308S1501, [13].

Hình ảnh cấu trúc của hai loại thép này được chỉ ra trên hình 1.12 vớichất dính kết là Co đối với CBN – H và Co, TiN với CBN – L

Mặc dù CBN – H có độ cứng cao hơn và độ dai va đập cao hơn nhưngtuổi bền của CBN – L lại cao hơn và tạo nên độ bóng bề mặt tốt hơn [13].Hiện tượng này được giải thích theo nhiều cách khác nhau như: CBN – L

có tuổi bền cao hơn là do có sức bền liên kết cao hơn, lớp đọng trên mặt saucủa dao CBN – L có tác dụng bảo vệ mặt sau, CBN – L có hệ số dẫn nhiệtthấp hơn là nguyên nhân tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm độ cứngcủa vật liệu gia công quanh vùng cắt làm cho quá trình cắt dễ dàng hơn Hơnnữa cấu trúc và tính chất hoá học của mảnh dao CBN có thể quyết định vấn

đề mòn của dao CBN [13] Dao CBN – L tồn tại pha dính kết ceramics làmtăng tính trơ hoá học của vật liệu dụng cụ dẫn đến tăng khả năng cắt

Nghiên cứu về tính gia công của một số loại thép hợp kim tôi cứng đếntrên 60 HRC cho thấy lực cắt hướng trục Px tăng khi gia công thép có các hạtcác bít thô (thép S6-5-2), và lực cắt Pz tăng với thép có các hạt các bít mịn vàđồng đều (thép 16MnCr5E) Từ đó có thể thấy rằng CBN không thích hợp vềmặt kinh tế khi gia công thép có thành phần ferit cao và độ cứng dưới 50HRC [7]

1.2.2.5 Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r.

Khi tăng bán kính đỉnh dao r làm điều kiện cắt thay đổi, biến dạng củaphoi tăng do đó Pz tăng hình 1.13

Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt

z z

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

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

Py, Pz tăng còn Px giảm, trong đó Py tăng mạnh hơn so với Pz 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

ra dễ dàng hơn, biến dạng của phoi giảm làm giảm lực cắt

Nếu dụng cụ cắt bị mòn ở mặt sau và mòn ở mũi dao thì lực cắt sẽ tăng.Như vậy sự thay đổi của lực cắt phụ thuộc vào trạng thái mòn của dụng

cụ cắt (mòn mặt trước, mặt sau, mũi dao…)

1.3 Nhám bề mặt

Chất lượng bề mặt là tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp bề mặt,như hình dáng lớp bề mặt, trạng thái, tính chất cơ lý của lớp bề mặt và khảnăng phản ứng của chúng đối với môi trường làm việc

Chất lượng chi tiết máy phụ thuộc vào phương pháp và điều kiện giacông cụ thể Chất lượng bề mặt là mục tiêu chủ yếu cần đạt ở bước gia côngtinh các bề mặt chi tiết máy

Lớp bề mặt chi tiết máy khác với lớp lõi về cấu trúc kim loại, về tính chấtcắt gọt và trạng thái biến cứng Nguyên nhân của hiện tượng này là do quátrình biến dạng dẻo lớp bề mặt Mức độ và chiều sâu biến cứng bề mặt phụthuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố này cũng ảnh hưởng tới lực cắt và nhiệt cắt.Đối với các bề mặt chịu tải trọng lớn cần đặc biệt chú ý tới tính cơ lý của 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 cấutrúc và đặc tính khác nhau Để xác định đặc trưng của bề mặt ta cần biết môhình và định luật kim loại nguyên chất – không có tương tác với các môitrường khác và sự khác nhau về sự sắp xếp các nguyên tử, tác dụng của lựctrên bề mặt so với bên trong Sau đó nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt dotác dụng của môi trường để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực

Nhiều tính chất khối của vật liệu có quan hệ đến bề mặt ở mức độ khácnhau Thường các tính chất lý, hóa của các lớp bề mặt là quan trọng, tuy nhiêncác đặc trưng cơ học như độ cứng và phân bố ứng suất trong lớp này cũng cầnđược quan tâm [6]

1.3.1 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 trườngxung quanh

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

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

và bôi trơn Hơn nữa các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng khác nhau như: quang học, điện, nhiệt, 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 Beilbly, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là lớp vật liệu nền [3].

bề mặt Ứng suất dư trong lớp biến dạng dẻo có thể ảnh hưởng tới sự làm việc

ổn định cũng như kích thước chi tiết

Chiều dày của lớp biến dạng dẻo phụ thuộc vào hai yếu tố: công hoặcnăng lượng của quá trình biến dạng và bản chất của vật liệu Chiều dày củalớp này thường từ 1 - 100m tuỳ theo mức độ biến dạng cũng như tốc độ biếndạng Kích thước hạt trong các lớp biến dạng dẻo này thường rất nhỏ do bịbiến dạng với tốc độ cao kèm theo quá trình kết tinh lại Hơn nữa các tinh thể

và hạt tại bề mặt tiếp xúc chung tự định hướng lại trong quá trình trượt giữahai bề mặt [8]

Lớp ôxy hóa có thể gồm một hay nhiều lớp thành phần Sắt có thể tạothành ôxít sắt với hỗn hợp các ôxít Fe3O4, Fe2O3 và lớp FeO trong cùng Vớihợp kim, lớp ôxít bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài ôxít, một số ôxít có tácdụng bảo vệ không cho quá trình ôxy hóa tiếp tục xảy ra như trên bề mặt củanhôm và titan.

Lớp hấp thụ hóa học

Bên ngoài lớp tương tác hoá học, các lớp hấp thụ có thể hình thành trên

cả bề mặt kim loại và á kim Lớp hấp thụ hoá học được hình thành trên cơ sở

sử dụng chung các electrons, hoặc trao đổi các electrons giữa các lớp hấp thụ

và bề mặt vật rắn Trong lớp này tồn tại liên kết rất mạnh giữa bề mặt chấtrắn và chất hấp thụ thông qua liên kết cộng hoá trị, vì thế để làm sạch lớp nàycần có một năng lượng tương ứng với năng lượng tạo nên liên kết hoá học(10 - 100 Kcal/mol) Năng lượng này phụ thuộc vào cả tính chất hoá học của

bề mặt vật rắn và các tính chất hấp thụ

Lớp hấp thụ vật lý

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

tử hơi nước, oxy và hyđrô cacbon trong không khí tồn tại dưới dạng đơn hoặc

đa phân tử với chiều dày khoảng 3nm Các lớp màng dầu mỡ trên bề mặt cũng

thuộc loại lớp hấp thụ vật lý Ở đây không tồn tại việc dùng chung hoặc traođổi electrons giữa các phân tử vật rắn và chất hấp thụ Quá trình hấp thụ vật lýliên quan đến lực Vander Woals Các lực này rất yếu so với lực tương táctrong không khí trơ ở trạng thái lỏng Để làm sạch các lớp hấp thụ này cần rất

ít năng lượng (1  2 Kcal/mol) hơn nữa trong môi trường chân không cao(khoảng 10-8 Pa) lớp này không tồn tại trên các bề mặt các chất rắn

Có bốn tiêu chuẩn để phân biệt lớp hấp thụ hoá học và vật lý là: lượngnhiệt cần cho hấp thụ, khoảng nhiệt độ cần thiết cho hấp thụ, năng lượng hoạt tính

1.3.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi tiện cứng

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

Đối với phương pháp tiện, qua thực nghiệm người ta đã xác định được

mối quan hệ giữa các thông số độ nhám Rz, lượng chạy dao S, bán kính mũi dao r và chiều dày phoi nhỏ nhất hmin.

Sự hình thành độ nhám bề mặt khi gia công bằng các loại dao tiện khácnhau được mô tả ở hình 2.15

Ta thấy rằng rõ ràng hình dáng và giá trị của nhám bề mặt phụ thuộc vàolượng chạy dao S1 và hình dáng của lưỡi cắt:

- Ảnh hưởng của góc nghiêng chính φ: khi φ tăng thì Rz tăng

- Ảnh hưở ng củ a gó c nghiêng phụ φ1 : khi φ1 tăng thì Rz tăng

- Ảnh hưởng của bán kính mũi dao r : khi r tăng thì Rz giảm

- Ảnh hưở ng củ a lượ ng chạ y dao S : khi S tăng thì Rz tăng

Ở đây hmin phụ thuộc vào bán kính mũi dao r

Tuy nhiên, khi lượng chạy dao quá nhỏ (S < 0,03 mm/vòng) thì trị số

của Rz lại tăng Nguyên nhân do S nhỏ hơn bá n kí nh mũ i dao nên xả y hiệ

n