Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt tới chất lượng bề mặt khi tiện tinh thép 9XC bằng dao hợp kim cứng phủ CVD

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN VĂN TÍCH “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO HỢP KIM CỨNG PHỦ CVD” TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Thái Ngun - 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn PGS.TS Phan Quang Thế tham khảo tài liệu liệt kê Tôi không chép cơng trình cá nhân khác hình thức Nếu có tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Người cam đoan Trần Văn Tích Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Lời xin cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Hiệu trưởng trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên - Thầy hướng dẫn khoa học định hướng đề tài, hướng dẫn thầy việc tiếp cận khai thác tài liệu tham khảo bảo trình tơi viết luận văn Tơi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến thầy (cơ) giáo – Khoa Cơ khí, Trung tâm thí nghiệm – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên , giúp đỡ tận tình thầy, q trình tơi làm thí nghiệm viết luận văn Tơi muốn bày tỏ lời cảm ơn tới Ban giám hiệu, Lãnh đạo khoa giáo viên khoa khí - Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ dành cho điều kiện thuận lợi nhất, giúp hồn thành nghiên cứu Cuối tơi muốn bày tỏ lòng cảm ơn gia đình tơi, thầy cô giáo, bạn đồng nghiệp ủng hộ động viên tơi suốt q trình làm luận văn Tác giả Trần Văn Tích Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .ix PHẦN MỞ ĐẦU .1 Tên đề tài nghiên cứu: Mục tiêu nghiên cứu Dự định kết .3 Phương pháp nghiên .3 cứu Các công cụ, thiết bị nghiên cứu Chương TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ DỤNG CỤ CẮT PHỦ BAY HƠI .4 1.1 Tổng quan tiện cứng 1.1.1 Đặc điểm trình tạo phoi tiện cứng 1.1.2 Đặc điểm trình tạo phoi tiện cứng kim loại 1.1.2.1 Các hình thái phoi 1.1.2.2 Cơ chế hình thành cứng .10 cắt phoi tiện 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công tạo phoi .11 1.1.3.1 Hiện tượng phoi .11 1.1.3.2 Những yếu tố 12 ảnh hưởng đến 1.2 Dụng cụ cắt 16 biến biến phủ dạng dạng phoi bay 1.2.1 Tổng quan 16 phủ bay 1.2.2 Phủ 17 CVD 1.2.2.1 Đinh 17 1.2.2.2 Đặc trưng CVD 18 nghĩa phủ 1.2.3 PVD .19 Phủ 1.2.4 Vật liệu lớp 20 phủ 1.2.5 Định hướng cứu .25 phun nghiên Chương II: MÒN DỤNG CỤ CẮT .26 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 55 2.1 Ma sát dụng 26 2.2 Mòn dụng 27 cụ phủ cụ phủ 2.3 Độ mòn 28 dao 2.3.1 Các dạng mòn 29 2.3.2 Các chế mòn cắt 31 2.3.3 Mòn dụng .35 dụng cụ cụ cắt dụng cụ phủ bay 2.3.4 Ảnh hưởng mòn dụng cụ phủ đến chất lượng bề mặt gia công 36 luận 36 Kết Chương III NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO HỢP KIM CỨNG PHỦ CVD .37 3.1 Thí 37 nghiệm 3.1.1 Yêu cầu 37 nghiệm: hệ thống thí 3.1.2 Mơ hình thí .37 nghiệm 3.1.3 Thiết bị nghiệm .38 thí 3.1.3.1 Máy 38 3.1.3.2 Dao .39 3.1.3.3 40 3.1.3.4 Chế cắt 41 3.1.4 Thiết bị đo .41 Phôi độ khác 66 3.1.4.1 Máy đo độ mặt 41 3.1.4.2 Kính hiển vi 42 nhám bề tử SEM điện 3.2.1 Phân tích nhám bề mặt phôi thép 9XC độ chế độ cắt khác 43 3.2.2 Phân tích lượng mòn mặt mặt trước mảnh dao phủ TiAlN tiện cứng thép 9XC độ chế độ .46 cắt khác 3.2.3 Phân tích lượng mòn mặt mặt trước mảnh dao phủ TiAlN tiện cứng thép 9XC độ chế độ cắt khác qua hình chụp Topography bề mặt 49 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 55 4.1 Kết luận 55 4.2 Hướng nghiên cứu tiếp 55 theo chung đề TÀI LIỆU THAM KHẢO .56 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ tài 77 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ap: Chiều dày phoi Kbd: Mức độ biến dạng phoi miền tạo phoi Mms: Mức độ biến dạng phoi ma sát với mặt trước dao Kf: Mức độ biến dạng phoi θ: Góc trượt γ: Góc trước dao PX: Lực chiều trục tiện PY: Lực hướng kính tiện PZ: Lực tiếp tuyến tiện S: Lượng chạy dao (mm/vòng) t: Chiều sâu cắt (mm) v: Vận tốc cắt (m/phút) c: Nhiệt dung riêng Φ: Góc tạo phoi K: Hệ số thẩm nhiệt ΔFc, ΔFt: μ: Hệ số ma sát vùng ma sát thông thường mặt trước r : hmin: Áp lực tiếp tuyến pháp tuyến vùng mòn mặt sau Bán kính mũi dao Chiều dày phoi nhỏ Ra, Rz: Độ nhám bề mặt tiện PVD: Phủ bay vật lý CVD: Phủ bay hóa học DDTN: Dung dịch tưới nguội 88 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Lấy logarit hai vế đặt: f = lnU; a0 = lnC; x1 = lnV; x2 = lnS; r = a1 p = a2 ta có: lnU = lnC + a1lnV + a2lnS f = ao + a1x1 + a2x2 (****) Trong phương trình (****) f, x1, x2 biết Cần xác định hệ số: ao; a1; a2 Để nhận phương trình dạng (***), dùng phần mềm Design Expert 8.0.5 để giải phương trình (****) với kết thực nghiệm bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm (bảng 3.1), sau loại bỏ hệ số khơng có ý nghĩa ta phương trình hồi quy sau: Hình 3.4: Kết xử lý giữ liệu lượng mòn Từ kết hồi quy ta nhận kết sau loại bỏ hệ số khơng có ý nghĩa sau: U 120.03V 0,26 S 0,53 Biểu đồ quan hệ vận tốc, lượng chạy dao lượng mòn mặt trước: Hình 3.5: Biểu đồ mức độ ảnh hưởng V S đến lượng mòn U u (micro) 18 16 14 12 10 0.25 180 0.2 s (mm/vg) 160 140 0.15 0.1 100 120 v (m/ph) Hình 3.6: Biểu đồ bề mặt tiêu quan hệ vận tốc, lượng chạy dao lượng mòn (Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ biều đồ quan hệ) Từ đồ thị thấy gia cơng thép 9XC chế độ khác mảnh dao phủ TiAlN, lượng mòn mặt trước giảm tăng lượng chạy dao từ 0,125 đến 0,25 mm/vg Khi vận tốc cắt tăng lượng mòn giảm 3.2.3 Phân tích lượng mòn mặt mặt trước mảnh dao phủ TiAlN tện cứng thép 9XC độ chế độ cắt khác qua hình chụp Topography bề mặt Quan sát hình ảnh phần cắt dao kính hiển vi ta thấy có hai vùng rõ dệt: Vùng đen vùng trắng Sau phân tch EDX (Hình 3.9; hình 3.10) thấy rằng: Vùng đen phần cắt dao có thành phần hóa học chất sau: W: 45,5%; Co: 34,7%; Al:7,9%; Ba: 4,6%; Ti: 4,0% (Hình 3.9) Phân tch EDX cho thấy vùng đen vùng bị mòn khơng xuất thành phần lớp phủ TiAlN vùng nữa, chất lại lớp EDX phân tch thành phần hóa học vùng trắng phần cắt dao (Hình 3.10) có: Ti = 35,9%; Fe = 28,8%; = 9,8%; N= 9,3 %, Al= 7,3%; Ca = 3,2%; Ba=2,5%; Si=0,9%; Cr = 0,9%; C = 0,2% Kết phân tch cho thấy vùng có thành phần Fe, c, Cr, Si thành phần vật liệu gia cơng trượt dính lớp phoi vào bề mặt vùng cắt Hình 3.9 Ảnh phân tch EDX vùng đen phần cắt dao kính hiển vi điện tử Hình 3.10 Ảnh phân tích EDX vùng trắng phần cắt dao kính hiển vi điện tử Ở thí nghiệm thứ nhất, mặt trước dao xuất bám dính vật liệu gia công lên bề mặt với bề rộng xấp xỉ 120 μm (hình 3.7 a) Lượng mòn đồng Hình 3.11 a: Kết chụp lượng mòn mặt trước qua thí nghiệm thứ Ở thí nghiệm thứ hai, khơng xuất vùng trắng, vùng đen chiếm gần toàn rộng khoảng 269 μm (hình 3.11 b) Trên vùng mòn mặt trước khơng nhìn thấy hình ảnh lớp phủ vùng chưa bị mòn, lớp bề mặt có cấu trúc sóng Vết mòn nguy hiểm dẫn đến phá hủy lưỡi cắt Đây hình ảnh mòn vật liệu dòn theo chế biến dạng dẻo bề mặt hạt cứng cày bề mặt tác dụng ứng suất pháp lớn vùng lưỡi cắt gây Hình 3.11 b: Kết chụp lượng mòn mặt trước qua thí nghiệm thứ Ở thí nghiệm thứ (hình 3.11 c, d), lượng mòn nghiệm trọng rộng lần thí nghiệm thứ Đặc biệt thí nghiệm thứ (hình 3.10 e), lớp phủ gần biến hồn tồn chiều rộng mòn lớn (khoảng 386 μm) c) d) e) Hình 3.11 c,d,e: Kết chụp lượng mòn mặt trước qua thí nghiệm thứ 3,4,5 Còn thí nghiệm thứ 6, 7, (hình 3.11 f, g, h i), vùng trắng xuất trở lại Sự mòn dụng cụ đồng bề rộng lưỡi cắt Đặc biệt thí nghiệm thứ (hình 3.11 f), kết cho thấy mòn nhất, chiều dài cung mòn lưỡi cắt bề rộng cung mòn gần khơng thay đổi f) g) h) i) Hình 3.11 f,g,h i: Kết chụp lượng mòn mặt trước qua thí nghiệm thứ 6,7,8 3.2.4 Phân tích nhám bề mặt tện cứng thép 9XC độ chế độ cắt khác qua hình chụp SEM bề mặt c) b) a) e) d) h) g) f) i) Hình 3.12: Kết chất lượng bề mặt trước qua thí nghiệm Nhám bề mặt ảnh hưởng lớn đến chất lượng làm việc chi tiết máy Đối với chi tiết mối ghép động (ổ trượt, sống dẫn, trượt ), bề mặt chi tiết làm việc trượt tương nhau, nên nhám lớn khó đảm bảo hình thành màng dầu bơi trơn bề mặt trượt Dưới tác dụng tải trọng đỉnh nhám tiếp xúc với gây tượng ma sát nửa ướt, chí ma sát khơ, dẫn đến làm giảm hiệu xuất làm việc, tăng nhiệt độ làm việc mối ghép Mặt khác đỉnh tiếp xúc, lực tập trung lớn, ứng xuất lớn vượt ứng xuất cho phép gây biến dạng chảy phá hỏng bề mặt tiếp xúc, bề mặt làm việc nhanh mòn Do vậy, nhám bề mặt ảnh hưởng lớn trình làm việc, gây hư hỏng phá hủy cấu máy Ngược lại, nhám nhỏ bề mặt nhẵn, khả chống lại ăn mòn tốt - Quy luật ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công tiện cứng thép 9XC qua tơi thí nghiệm giống Các thông số S V ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công mức độ khác nhau: theo biểu đồ thể mức độ ảnh hưởng S V đến nhám bề mặt (hình 3.2) lượng chạy dao có ảnh hưởng mạnh nhiều so với vận tốc cắt đến nhám bề mặt sau tiện cứng - Nhám bề mặt mài hình thành chủ yếu dao tiện có góc nghiêng nghiêng phụ Về mặt lý thuyết, góc nghiêng nghiêng phụ dao tiện lớn nhám bề mặt lớn Quan sát hình 3.12 ta thấy: Ở thí nghiệm thứ thứ (Hình 3.12 d, f) cho chất lượng bề mặt sau gia công tốt 3.3 Kết luận Từ kết thí nghiêm thấy mòn mặt trước dụng cụ chia thành ba vùng rõ rệt theo phương thoát phoi thơng qua mức độ dính vật liệu gia công với mặt trước Vùng nằm sát lưỡi cắt với vết biến dạng dẻo bề mặt hạt cứng vật liệu gia công gây nên, vùng hai với dính nhẹ vật liệu gia công mặt trước, vùng ba vùng phoi thoát khỏi mặt trước, vật liệu gia cơng dính nhiều bề mặt Theo kết nghiên cứu Tren[22] vùng vùng sát lưỡi cắt vùng mà lớp vật liệu gia cơng sát mặt trước dính dừng mặt trước tạo nên vùng biến dạng thứ hai phoi Tuy nhiên, hình ảnh bề mặt cho thấy tượng biến dạng dẻo bề mặt cào xước theo hướng phoi gây mòn tạo nên mặt trước phụ với góc trước phụ âm Vùng hai vùng dính vật liệu gia công với mức độ tăng dần phía vùng phoi khỏi mặt trước Vùng ba vật liệu gia cơng dính nhiều mặt trước với vết trượt vật liệu phôi, vùng ma sát thông thường với hệ số ma sát f = const phù hợp với mơ hình Zorev[12] CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 4.1 Kết luận chung Với nội dung “nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt tới chất lượng bề mặt tện tnh thép 9XC dao hợp kim cứng phủ CVD” qua bốn chương đề tài giải vấn đề sau: - Đã triển khai thành công kỹ thuật tiện cứng thép 90CrSi; độ cứng HRC > 52; độ nhám Ra < 1.25 μm; không sử dụng DDTN - Đề tài đánh giá ảnh hưởng vận tốc cắt lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt thép 9XC tiện dao hợp kim cứng phủ TiAlN - Đánh giá ảnh hưởng vận tốc cắt lượng chạy dao đến mòn mặt trước dụng cụ cắt phủ TiAlN thông qua ảnh chụp mòn dao phân tch EDX kính hiển vi điện tử - Tìm mối liên hệ lượng mòn mặt trước dụng cụ (U) nhám bề mặt chi tiết (Ra) sau gia công với kết quả: Ra U 0,6636V 120.03V 0,098 0,26 S S ( , 21 ln V ,053) (0,15lnV 0,53) 4.2 Hướng nghiên cứu tếp theo đề tài Kết nghiên cứu đề tài dừng chế độ công nghệ, loại dụng cụ cắt, loại vật liệu chiều sâu cắt định Vì cần tiến hành thí nghiệm cách tổng quan để tìm quy luật rộng chế mòn phần cắt dao chất lượng bề mặt phơi Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng lưỡi cắt đến chất lượng bề mặt mòn dụng cụ Nghiên cứu ảnh hưởng lực cắt đến chất lượng bề mặt tuổi bền dụng cụ Nghiên cứu triển khai đề tài trung tâm CNC đại hơn, tối ưu hóa nhiều mục tiêu (Hạ giá thành sản phẩm, nâng cao tuổi bền dao, đánh giá chiều sâu lớp trắng, vật liệu làm dao) để có cơng bố tạp chí có uy tín TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Hữu Đà, Nguyễn Văn Hùng, Cao Thanh Long (1998), “Cơ sở chất lượng q trình cắt”, Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên [2] Phan Quang Thế (2002), Luận án Tiến sĩ “Nghiên cứu khả làm việc dụng cụ thép gió phủ dùng cắt thép cacbon trung bình”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [3] Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết Tiếp, Trần Xuân Việt (2003), “Công nghệ chế tạo máy”, NXB Khoa học kỹ thuật [4] (2001), Nguyên Lý Gia công vật liệu, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Trần Thế Lục (1988) “Giáo trình mòn tuổi bền dụng cụ cắt”, Khoa khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [6] PGS.TS Phan Quang Thế, Th.S Nguyễn Thị Quốc Dung (2008) “Tương tác ma sát phoi mặt trước dao gắn mảnh PCBN tiện tnh thép 9XC qua tơi” Tạp chí khoa học cơng nghệ trường đại học (60) [7].PGS.TS Phan Quang Thế, Th.S Nguyễn Thị Quốc Dung (2008) “Ảnh hưởng vận tốc cắt đến mòn chế mòn dụng cụ gắn mảnh PCBN tiện tnh thép 9XC qua tơi” Tạp chí khoa học công nghệ trường đại học (62) [8] Nguyễn Mạnh Cường(2007) “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt gia công tiện tinh thép X12M qua dao gắn mảnh PCBN” Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành công nghệ chế tạo máy Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên [9] Hoàng Văn Vinh “Nghiên cứu mối quan hệ chế độ cắt tuổi bền dụng cụ hủ TiAlN tện tnh thép không gỉ SUS201” Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành công nghệ chế tạo máy Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên [10] Nguyễn Thị Quốc Dung (2012), Luận án Tiến sĩ “Nghiên cứu trình tiện tinh thép hợp kim qua dao PCBN” Trường Đại học kỹ thuât công nghiệp Thái Nguyên [11] X.L Liu, D.H Wen, Z.J Li, L.Xiao, F.G Yan Cuttng temperature and tool wear of hard turning hardened bearing steel Journal of Materials Processing Technology 129 (2002) 200 – 2006 [12] Zorev N.N (1963), Interrelatonship between shear processes occurring along tool face and on shear plane in metal cutting, Internatonal research in producton engineering, The American Society of mechanical Engineers, New York, pp 48-67 [13] Abdullah Kurt, Ulvi Seker The efect of chamfer angle of polycrystalline cubic boron nitride cuttng tool on the cuttng forces and the tool stresses in finishing hard turning of AISI 52100 steel Materials and Design 26(2005) 351 – 356 [14].Tugrul Oă zel*, Yigit Karpat Predictve modeling of surface roughness and tool wear in hard turning using regression and neural networks International Journal of Machine Tools & Manufacture 45 (2005) 467–479 [15] G Poulachon , A Moisan , I.S.Jawahir Tool-wearmechanisms in hardturning with polycrystalline cubic boronnitride tools Wear 250 (2001) 576–586 [16] Y Kevin Chou , Chris J Evans Cubic boron nitride tool wear in interrupted hard cutting Wear 225–229 (1999) 234–245 [17] Patrik Dahlman, Fredrik Gunnberg, Michael Jacobson, The influence of rake angle, cutting feed and cutting depth on residual stresses in hard turning Journal of Materials Processing Technology 147 (2004) 181 – 184 [18] Meng Liua, Jun – ichiro Takagia, Akira Tsukudab, Efect of tool nose radius and tool wear on residual stress distribution in hard turning of bearing steel, Journal of Materials Processing Technology 150 (2004), 234 – 241 [19] Tugrul Ozel, Tsu-Kong Hsu, Erol Zeren (11August 2004) Effects of cuttng edge geometry, workpiece hardness, feed rate and cuttng speed on surface roughness and forces in finish turning of hardened AISI H13 steel ORIGINAL ARTICLE [20] H A Kishawy and M A Elbestawi Tool wear and surface integrity during high-speed turning of hardened steel with polycrystalline cubic boron nitride tools Intelligent Machines and Manufacturing Research Centre, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada (755 - 767) [21] Jiang Hua, Rajiv Shivpuri, Xiaomin Cheng, Vikram Bedekar, Yoichi Masumoto, Fukuo Hashimoto, Thomas R Watkins Effect of feed rate, workpiecehardness and cutting edge on subsurface residual stress in the hard turning of bearing steel using chamfer + hone cuting edge geometry Materials Science and Engineering A394 (2005) 238 – 248 [22] Trent E.M and Wright P.K (2000), Metal Cutng, ButterworthHeinemann, USA ... mặt lực cắt tiện Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng bề mặt tiện tinh thép 9XC ( Nhám bề mặt, mòn dụng cụ cắt ) gia công tiện cứng dao hợp kim cứng phủ CVD , nhằm tìm chế độ cắt hợp lý... đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt tới chất lượng bề mặt tện tnh thép 9XC dao hợp kim cứng phủ CVD Mục têu nghiên cứu Đánh giá ảnh hưởng chế độ cắt (s,v,t) tới chất lượng bề mặt ( đánh... cụ phủ đến chất lượng bề mặt gia công 36 luận 36 Kết Chương III NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN TINH THÉP 9XC BẰNG DAO HỢP KIM CỨNG PHỦ CVD